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Sensor module design improves automotive electrical integration, functionality

By Torsten Herz (ZMDI) June 2011 in EETimes

Sensor module design improves automotive electrical integration, functionality (Part 1) Torsten Herz, ZMDI 6/24/2011 01:58 AM EDT

Thanks to state-of-the-art sensor-based control systems that provide precise real-time monitoring, automotive engines operate more efficiently and with lower environmental impact. One result of this improved performance is that the number of sensor applications in vehicles has realized double-digit growth over the past several years. The other result is a growing trend to add more sensor modules to vehicles. Such modules must be reliable and robust and operate with long-term stability and high precision under harsh physical, chemical, and electrical stress conditions.

Additionally, a set of built-in-diagnostic functions is required for automotive sensor modules to support the “maintenance-on-demand” policy of automotive OEMs as well as special failure-mode-operations required for safety-critical sensor applications like brake pressure sensing.

The chemical (i.e. media/humidity/corrosion resistance) and physical (shock; vibrations) robustness of sensor modules is mainly determined by the materials used, and the assembly and connection technologies. The electrical robustness (i.e. EMC) is determined by the application circuit, the chosen electric components (ICs, discrete parts), and the layout of the electrical connections, according to the application circuit.

This series will describe the latter aspect of the design of an automotive sensor module. The module incorporates a sensor signal conditioner (ZSC31150) to enable the design of highly accurate sensor modules operating at temperatures of -40 to +150C and providing EMC performance and a set of onchip-protection and diagnostic features addressing safety-critical applications at SIL2-level. By clever electrical design of the sensor module considering all EMC-related parameters (i.e. parasitic capacitances and inductances), high electrical robustness and built-in-diagnostic functionality can be achieved at optimized module cost, together with very high accuracy of the measured signal.

Because the mechanical design and the interconnection between a sensor system and the processing unit have a major influence on their electromagnetic behavior, it is essential to separate “embedded sensing functions” and “stand-alone-sensor modules”.

In case of embedded sensing functions (ESF) the sensor electronics are placed closed to the processing unit—in automotive applications this is an ECU (Electronic Control Unit). The connections between ESF and ECU are typically very short (<< 30 cm) and normally realized as traces on a PCB. Modern ESF provide a digital interface (i.e. SPI), which is connected to the microcontroller of the ECU. Because of this closed placement on the same PCB there are several options in order to fulfill the tough automotive requirements in terms of EMC (i.e. shielding or use of external protection parts). One example for an ESF is barometric pressure sensing.

For stand-alone-sensor modules (SASEM), the situation is completely different. These are typically connected to an ECU via an unshielded harness of up to 2.5 meters in length. The available board space inside the module’s case (made of metal or plastic) is very limited and trends to further miniaturization because lower material consumption equals lower weight, which in turn equals lower cost.

Depending on the mode of power supply (battery-powered or ECU-powered) there are various output interfaces: Battery-powered SASEM: • • • • •

PWM output (high-side-load) PWM output (low-side-load) CAN-bus interface LIN-bus interface Absolute analog voltage output

ECU-powered SASEM: • • •

Ratiometric analog voltage output SENT interface (fast digital unidirectional point-to-point data transfer) PSI5 interface (digital 2-wire-current-coded data transfer)

Typical construction of an automotive pressure sensor module

For passenger cars it is still very common to use ECU-powered SASEMs, which provide a ratiometric analog voltage output. The typical supply voltage amounts to 5 VDC ±10% and the current consumption of a SASEM should amount to ≤10 mA. The operational conditions are quite harsh as mentioned at the beginning, which leads to the exclusion of some effective passive protection parts such as ferrite beads, which operate at temperatures only up to +125C. Depending on the module’s design (i.e. the material of the module’s case), two additional 10nF (maximum) capacitors (shown in green in the figure below) at the differential inputs VINP and VINN to VSSA might be required in order to fulfill the EMC specification of the SASEM—this leads us to typical automotive EMC requirements.

ZSC31150 automotive application circuit

Basically the electromagnetic characteristic of systems like SASEMs is split into areas—electromagnetic emissions (conducted or radiated) and electromagnetic immunity (conducted or radiated). The limitation of electromagnetic emissions ensures that other electrical systems are not disturbed by operation of a SASEM. Thus, the active electronics inside a SASEM determine its “emission performance.” By proper IC design and at digital on-chip-clock frequencies <5 MHz (i.e. ZSC31150 for DSP-on-chip typically operates at 3 MHz), common ISO- and OEM-standards for electromagnetic emissions of SASEMs can be fulfilled.

Electromagnetic immunity In terms of electromagnetic immunity against continuous or transient RF energy, there are several standardized test methods for both conducted and radiated modes of RF-energy transfer to the SASEM. Because of the small dimensions of the SASEM itself and of its internal conductive parts, there is no effective RF antenna for radiating RF energy up to 1 GHz—all dimensions are smaller than the length la of an equivalent λ/4 dipole. On average, this length is approximately 50 mm at 1 GHz as calculated with equation (1).

Up to 1 GHz, the primary effective antenna for RF energy is the SASEM’s harness. However, there is a trend to expand the EMC test procedure frequency range to 3 GHz (or more). In this case, the effective length la of an equivalent λ/4 dipol decreases to approximately 20mm as calculated by equation (1), and conductive structures on the module’s PCB with a length >15mm can be an effective antenna for radiated RF energy. To prevent susceptibility at field strengths up to 600V/m, shielding of sensitive signal paths might be required.

Their susceptibility is measured by EMC test procedures. There are different test configurations for radiated and conducted immunity (i.e. stripline, anechoic chamber, bulk current injection, etc). One of the toughest tests for common automotive SASEMs regarding immunity against continuously applied RF energy is the Bulk Current Injection (BCI) test, which belongs to the radiated immunity EMC test group.

Typically the frequency range tested is 1 to 400 MHz. The test simulates worst case conditions for RF cross-coupling in a harness for different electric subsystem’s wires assembled inside a car. Because of the small distance between RF source (emitting harness or wire) and RF sink (harness of the sensor module), the induced energy can be very high and is measured in “mA” or “dBµA” during the BCI test. To ensure the induced energy can influence only the sensor module during the test, the ECU is replaced by a standardized artificial network and typical circuitry at VSIGNAL, which represents the input impedance of the original ECU used in the car as shown below.

BCI test circuitry and equivalent RF circuitry of the SAREM for the circuit in the first figure on the previous page and Case 1 in the table to follow

It is important to note, customizing this circuitry for each EMC test before designing the module is strongly recommended because different EMC test circuitries can make different module designs necessary. Typically “universal” solutions are too expensive.

To fulfill the harsh automotive EMC requirements, all relevant electrical parasitics, especially capacitances between the electric sensor circuitry and other conductive parts of the SASEM, need to be considered as shown in the figure above.

There are a number of different configurations possible for the module’s construction and its assembly inside the car as listed in Table 1 below. The case and the pressure supply adaptor (PSA) can each be plastic or metal and each can have a galvanic contact with the chassis or no contact.

Table 1: Possible configurations of module construction and automotive assembly

In Table 1, configurations 1 and 10 represent the extremes regarding the equivalent RF circuitry at the BCI test. With configuration 1, all parasitic impedances are maximums; with configuration 10, they are minimal or short circuited.

The first consideration is the electromagnetic coupling between the BCI antenna and the harness. If the frequency of the RF current IRF is in the range of the initial resonance frequency of the segment of harness between the RF-emitting BCI antenna and the DUT, then the induced current IRF_sink is maximum. The induced current value is determined by the parasitic impedances, especially by ZC_GND. As IRF_sink increases, its influence on the DUT becomes stronger. The worst case is configuration 10, because ZC_GND = 0 Ω (galvanic contact between case and the car’s chassis) and ZPSA_C = 0 Ω (galvanic contact between PSA and case). In this case IRF_sink is limited by the impedance of the parasitic capacitances of the DUT’s signal paths V+, VOUT, and V- relative to the case and of the sensor bridge relative to the PSA. But there are additional parasitic capacitances (i.e. the internal signal paths relative to the case), which could also decrease the RF susceptibility of the DUT. An example: • • •

Tolerance allowed for the analog output voltage of the DUT = ± 40 mV (nominal value) Effective gain “G” of the SSC-IC: G = 400 DC bridge resistance = 4 kΩ / resulting AC bridge impedance at its differential terminals = 2 kΩ

Thus the limit of the differential bridge voltage’ s change caused by RF energy: (± 40 mV / G) = ± 0.1 mV. And the resulting limit of the difference between the bridge’s partial currents: ± 0.1mV/2kΩ = ± 50nA! This very simplified example illustrates the influence of the mechanical construction and selected materials on the EMC behavior of the sensor module. It is even more challenging to define parasitics under the conditions of high volume automotive production with consideration for the system’s cost.

Torsten Herz, is FAE manager at ZMDI.

Ratiometricity and Digital Signal Correction as Key-Concepts for High-Resolution, Low-Noise Smart Sensors

By Marko Mailand (ZMDI) February, 2012 in Semiconductor Network Application Review

고해상도 저잡음 정밀 스마트 센서 위한 비율계량성과 디지털 신호 보정 특수한 아날로그 및 디지털 센서 신호 처리 개념을 사용하여 간섭에 대해 내성이 있는 고정밀도 센서 신호 측정을 지원할 수 있다. 비율계량성(ratiometricity) 또는 신호 조정 등과 같은 제시된 개념들을 적절히 활용함으로써 에너지 효율적인 고성능 표준 솔루션을 신속하게 개발할 수 있다.

글/마르코 마일랜드(Marko Mailand) 의료, 소비가전, 산업 사업부, ZMDI

센

서 및 센서 시스템에 대한 오늘날의 고객들은 모듈 크기, 동작 복잡성, 가격, 에너지 소모 등은 물론

전체 비용의 절감과 같은 성능 파라미터가 향상되기를 기 대하고 있다. 압력, 온도, 무게, 유량, 토크, 진동, 장력, 변형 등과 같은 환경 조건들을 결정할 때 정보와 및 성능

성능을 제공하고 있다. 예를 들어, 궁극적으로 최종 측정

요구사항에 대한 일반적으로 끊임없이 증가하고 있는 요

결과가 전체 신호 범위의 수십 %에 이르는 잡음을 나타낼

구로 인해 소비가전과 산업용 애플리케이션 모두에 대한

지라도 기업들은 일반적으로 16bit 신호 해상도를 제공하

요구 역시 지속적으로 증가하고 있다. 이것은 결과적으로

는 인터페이스 또는 신호 조정 IC를 광고하여 제공하고 있

센서 민감도, 해상도, 간섭 내성, 정밀도 등에 대한 보다

다. 이러한 경우에 사용자들은 요구되는 성능을 가상 형태

높은 요구로 이어진다. 이러한 맥락에서 직접 버스 연결

로만 확인할 수 있는 데, 최종 측정 결과의 낮은 신호 품질

을 제공하는‘스마트 센서’시스템 개념은 최근 수년 동

로 인해 예를 들면 원래의 범위에서 사실상 10bit에서

안 지속적으로 폭넓게 수용되어 왔다. 이러한 시스템 접

12bit 정도에 불과한 유효 해상도만이 제공되기 때문이다.

근법은 일반적으로 다음과 같은 기능 요소들로 구성되어

이러한 이유로 인해 시스템 개념들뿐만 아니라 회로별 아

있다: 센서, 아날로그 신호 조정(증폭, 오프셋 보정 등),

날로그 간섭의 제거, 보상, 또는 적어도 최소화가 여전히

아날로그-대-디지털 변환, 디지털 신호 보정, 버스 인터

필요하고, 다시 말해 보다 소형화된 기술로 이동하는 경우

페이스, 디지털 분석.

에 반복적으로 중요한 태스크가 되고 있다.

현재 스마트 센서는 특히 고정밀도 센서 애플리케이션

다행스러운 것은 기반 기술에 상관 없이 고해상도의

과 함께 사용될 경우에 시장에서 출시되고 있는 새로운 제

에너지 효율적인 저잡음 스마트 센서를 구현할 수 있는

품들을 위한 사실상의 표준으로 간주되고 있지만, 여전히

유효하고 매우 효과적인 회로 토폴로지와 접근법이 존재

실제 신호 조정 및 처리와 관련하여 매우 다양한 수준의

한다는 것이다.

90 Semiconductor Network 2012.2

고해상도 저잡음 정밀 스마트 센서 위한 비율계량성과 디지털 신호 보정

비율계량성(ratiometricity)

전압 VDD의 IC-내부 절대 수준이 변화하는 경우에도 A2D-컨버터의 출력 Zout에 대한 스퓨리어스 영향은 나타

비율계량 측정 원리는 전력공급에서 간섭 현상을 제 거하는 데 일반적으로 사용되는 개념이다. 비율계량 측정

나지 않는다. 원칙적으로 다음 식을 이 경우에 적용할 수 있다:

방법에서 요구되는 측정 양은 일반적으로 간섭을 나타내 는 2개의 양의 비율이다. 하지만, 이와 관련해서 간섭이

(

Zout =2resolution· GAMP·

실제 측정에 영향을 미치지 않는다는 것이 중요하다. 예 를 들어, 비율계량 값은 공급전압에 대해 독립적이다.

)

Voff VIN + Vrp -Vrn , Vrp -Vrn

여기서 GAMP은 증폭을, Voff은 신호 경로 내의 내부 오프

그림 1은 측정된 전압 V1과 V2에 대한 저항 R1과 R2의

셋을 나타낸다. 뿐만 아니라, 향후 SSC 세대를 위해 개념

비율이 공급전압의 절대값 VDD에 대해 독립적이라는 것

들의 적용 가능성이 최적의 전압 레귤레이터를 사용하여

을 보여주고 있다. 결과적

저전력 공급전압을 한층 더 억제하기 위한 학계와 산업의

으로 R1의 값을 알고 있을

그림 1. 비율계량 측정 회로 의 기본 예제

연구 과제이다. 따라서 LDO(low dropout regulator)를

경우에 전압의 비율을 측

통해 스마트폰과 같이 상당한 수준의 간섭이 나타나는 환

정한 다음 공식: R2 = R1·

경들에서 고해상도 저전력 센서 시스템을 사용할 수 있

V2/V1을 사용하여 저항 R2

다. 이와 관련하여 전압 레귤레이터는 신호 경로의 기성

를 결정할 수 있다.

커패시턴스로 인한 동적 손실을 감소시켜 16bit에서

시스템-통합 접근법의

24bit까지의 유효 해상도와 각 실리콘-공정과 관련된 최

경우, 이 원리를 확장하여

소 트랜지스터 공급 전압까지 동작 전압을 제공하면서 동

복잡한 센서 인터페이스와

시에 비율계량 신호 경로를 활용하는 시스템을 제공할 수

SSC(sensor signal conditioning) IC(예를 들어, ZMDI

있다.

의 ZSI21013와 ZSSC30xx, MAXIM의 MAX1452, ATMEL의 AT77C104Bx 등이 있다)에서 사용할 수 있다.

신호 조정 및 AZ(auto-zero) 조정

비율계량 토폴로지를 통해 공급전압 간섭에 대해 근본적 으로 내성을 가지고 있으면서 16bit의 유효 신호 해상도를

아날로그 성능 파라미터들 외에도 디지털 신호를 보

제공하는 거의 잡음이 없는 애플리케이션을 지원할 수 있

정할 수 있는 표준 SSC의 성능 역시 매우 중요하다. 일반

다. 기본적인 비율계량 원리를 SSC의 증폭기와 ADC

적으로 센서 시스템들은 센서 요소 자체의 특성은 물론

(analog-digital converter) 에 적용할 수 있다. 이 경우,

그림 2. 저항 브리지 센서 신호 측정을 위한 비율계량 토폴로지

내부 IC 레퍼런스 전압 Vref 또는 Vrp 및 Vrn를 저항 브리 지 센서 요소의 공급전압 VDD 로부터 직접 얻을 수 있다(그 림 2). 결과적으로 VDD에 대 한 간섭이 시스템적으로 ADC의 입력 전압에 대한 센 서 전압 VIN의 비율에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 공급

2012.2 Semiconductor Network 91

Application Review

실제 가변 측정 값(기압, 수압, 비틀림 진동 등)으로 인해

Wire Interface), I2C, SPI 등과 같은 유연한 디지털 인

고유한 비선형성을 나타낸다. 뿐만 아니라, 센서 신호와

터페이스를 제공한다. 일반적으로 프로그램 가능한 해상

환경 또는 센서 시스템 온도 사이에는 비선형적인 관련성

도와 분할을 제공하는 CB(charge-balancing) 아키텍처

이 나타난다(저항 센서에 대해서는 적용되지 않는다).

가 보다 낮은 샘플링 속도를 제공하는 저전력 애플리케이

결과적인 측정 값을 선형화시켜 최적의 방법으로 연

션의 ADC를 위한 기본 IP로서 사용되며, 시그마-델타

속적인 분석을 지원하기 위해서 최신 SSC들은 수많은 신

접근법들은 1k sps(sample per second) 이상의 샘플링

호 조정 계수들을 사용하는 디지털 처리 유닛을 특별히

속도를 제공하면서 상대적으로 전력이 중요하지 않은 스

채택하고 있다. 해당 요구 보정 지점들은 각 센서 IC에

마트 센서 시스템에 채택된다.

따라 달라지며, 개별적으로 획득되어야 하기 때문에 센서

분할된 CB-ADC의 경우, 완전 MSB(most significant

시스템의 어셈블리 시에 일반적으로 수행된다. 뿐만 아니

bit) 변환과 통합 MSB/LSB(least significant bit) 변환

라, 이러한 강화된 SSC는 통합 온도 센서를 제공하여 통

사이에서 선택할 수 있다. 두 경우 모두, 특정 영역의 애

합 브리지 센서와 온도 신호 보정의 모든 이점들을 유지

플리케이션을 위한 최종 측정 값에서 변환 속도와 추가적

하면서 BOM(bill of material)을 최소화시킨다.

인 잡음 감소에 대한 알맞은 비율을 선택하여 지정할 수

‘AZ(auto-zero) 측정’ 을 사용하여 내부 회로 신호 오프

있다. 아날로그 전치-증폭(정밀하게 프로그래밍될 수 있

셋 Voff을 계산할 수 있기 때문에 최종적으로 센서 신호를

음) 및 조정 가능한 ADC 입력 오프셋 시프팅을 사용하여

실제 요구되

이와 같은 IC들을 환경적인 신호와 센서 요소 특성들(특

는 값으로 보

히 오프셋, 민감도, 측정 범위 등)에 따라 결정되는 다양

정할 수 있다.

한 신속 곡선들에 대해 최적화시킬 수 있다. 무엇보다 표

이렇게 하기

준이지만 애플리케이션 지정 IC로서의 이용 가능성 때문

위해서 신호

에 특정 시장에서 임지 경쟁이 시작되었다: 각 SSC 회로

경로를 IC 입

들에 대한 지속적인 기술 향상(기능 및 파라미터), 소형

력에서 직접

화, 저비용화. 결과적으로 이러한 기본적이고 고유한 사

단락시킨다

실은 새로운 미래형 스마트 센서와 개별 애플리케이션들

(그림 3). 신

의 개발을 위해 공통적으로 이용 가능한 다양한 센서 신

호 보정뿐만

호 조정 IC를 제공한다.

그림 3. 센서 시스템의 보정. 고장 영향 보상 및 선형화

아 니 라 AZ 측정 역시 시스템 안정성, 드리프트 동작 등과 같은 파라

에너지 효율은 필수사항

미터들을 모니터링하기 위한 고유한 애플리케이션 진단 기능들을 지원한다.

최대 1mA의 전류 소모 특성(A2D 컨버터 등)으로 최

이러한 방법들 덕분에 비선형 및 온도 민감 변수들과

소 1.8V의 낮은 공급전압 조건에서 동작하는 것은 기존

센서 신호 모두를 연결된 실제 정보 처리 단을 위해 이상

및 향후 SSC를 위한 오늘날의 표준 요구사항이자 최신

적으로 준비할 수 있다(그림 3).

기술이다. 가능한 그 이상으로 에너지 효율적인 센서 애 플리케이션을 만들기 위한 하나의 접근법은 SSC가 다양

표준 기능

한 동작 모드를 제공하도록 하는 것이다. 이와 관련하여 일반적으로 사용되는 3가지 주요 모드는 다음과 같다(그

앞서 언급한 특성들, 현재 및 미래의 센서 인터페이 스, SSC 회로 등은 업계-표준을 준수하며, OWI(One-

92 Semiconductor Network 2012.2

림 4와 비교).

•연속/업데이트 모드: 모든 IC-내부 블록들에 지속

고해상도 저잡음 정밀 스마트 센서 위한 비율계량성과 디지털 신호 보정

적으로 전력이 공급된다. 측정 요구에 대한 IC

그림 4. 일반적인 SSC 동작 모드

반응이 최대이다. 심지어 A2D-변환이 수행되 지 않는‘비활성’기간에도 전류가 소모된다. 이와 관련하여 추가적인 측정 요구 명령어 없이 주기적인 업데이트 측정이 수행된다. 그에 맞게 각 결과들을 조사할 수 있다.

•슬립/웨이크-업 모드: 거의 인터페이스만이 디 지털 인터페이스 버스에 집중하고 있다. 유효한 명령어를 수신한 경우에만 개별적으로 필요한 IC-블록들에 전력이 공급되고, 명령어 요청, 예 를 들어 센서 측정 수행 등이 처리된다. 따라서, IC-활성화가 필요하지 않을 경우에는 대기 전 류만이 소비된다. 반면, 명령어 요청에 대한 응 답 시간이 연속 또는 업데이트 모드 대비 다소 늦어진다.

•명령어/테스트 모드: 모든 IC-내부 블록들에 전력이 공급되지만 명령어에 의해 오프 상태로 전환될 수 있다. IC 시스템 아키텍처에 대한 특수한

계산 유닛 등보다 넓은

지식과 정보가 필요하다. 일반적으로 이러한 종류

공급전압 범위에 대해

의 동작 모드는 테스트 목적을 위해 사용되거나 개

설계된다. 후자들이 최

별 고객의 SSI 및 SSC 디바이스에 대한 IC-제조업

소(내부 레귤레이션) 공

체의 애플리케이션별 지원을 가능하게 한다.

급전압 조건에서 동작

그림 5. 헤더

한다. 일반적으로 SSC 예를 들어, ZMDI의 ZSSC3016의 경우, 특히 슬립 모

-디바이스가 외부 연

드가 평균 전력소모를 최소화시킨다. 슬립 모드에서 회로

결 센서 요소들에 대한

는 사실상 파워-다운 상태(1μ A 미만의 전류 소모 가능)이

공급전압(최소 내부 레

기 때문에 버스 명령어 또는 적절한 회로 ID를 수신한 경

귤레이션 공급전압임)

우에 1초 이내에 웨이크-업 상태가 될 수 있다. 웨이크-

도 제공한다. 결과적으

업 상태가 되면 IC가 즉시 대기 모드로 복귀한 다음 완벽

로 센서 요소의 전류 소모 특성 역시 SSC의 낮은 다운-레

한 센서 측정이 수행된다. 인터페이스 프로토콜에 따라서

귤레이션 공급전압에 의해 낮아진다. 결과적으로 초당 1

결과적인 측정 값을 대기(저전력) 모드에서도 평가할 수

회의 벤치 테스트 시나리오에서 이용 가능한 첨단 회로들

있다. 유사한 전력 감소 성능이 MAXIM, ATMEL 등의

이 100μ A 이하의 평균 전류 소모 특성을 제공한다.

IC들에서 제공되고 있는 것으로 알려져 있다.

마지막으로 최신 SSC-회로 제품의 출시로 인해 최근

전체 전력 소모 특성에 영향을 주어 최소화시킬 수 있

까지 ASIC-기반 또는 개별 칩 솔루션을 통해서만 제공

는 추가적인 접근법은 전압 영역 분할(voltage domain

되었던 성능 파라미터들과 지원하면서도 크기가 최적화

sectioning)이다. 따라서, 레귤레이터, 리셋 블록, IC의

되고 에너지 효율적인 스마트 센서를 개발할 수 있는 표

인터페이스 등이 아날로그 센서 프론트-엔드 및 디지털

준 IC 시장이 제공되게 되었다.

SN

2012.2 Semiconductor Network 93

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Stromversorgungen Ursache und Minderung des Grundrauschen von DC/DC-Schaltwandlern

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Nutzsignalauflösung: 16 effektive Bit

Analog-/Mixed-Signal-ICs Energieeffizienz und störfeste Signalverarbeitung für hochgenaue intelligente Sensoren Seite 68

By Marko Mailand (ZMDI) March, 2012 in elektronik industrie

Selber machen lohnt nicht mehr Punktsieg für modulare DC/DC-Wandler Seite 24

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Analoge-/Mixed-Signal-ICs

Nutzsignalauflösung: 16 effektive Bit Energieeffizienz und störfeste Sensor-Signalverarbeitung Die Erweiterung bekannter, analoger und digitaler Sensorsignalverarbeitungskonzepte mit gezielten Energiesparlösungen ermöglicht störfeste, hochgenaue Sensorsignalmessungen bei reduzierter Leistungsaufnahme. Die Umsetzung der hier adressierten Konzepte ebnet den Weg für energieeffiziente High-Performance-StandardLösungen im Bereich der Smarten/Intelligenten Sensoren.

Autor: Dr. Marko Mailand

H

eutige Marktanforderungen an Sensoren und Sensorsysteme erwarten steigende Leistungsparameter bei sinkenden Gesamtkosten: Modulgröße, Bedienkomplexität, Preis und Energieverbrauch. Die Ermittlung von Umgebungseigenschaften, wie beispielsweise Druck, Temperatur, Gewicht, Durchfluss, Drehmoment, Vibration, Tension, Dehnung, etc. führen dabei sowohl im Consumer-Bereich als auch im Industriesektor zu stetig wachsenden Ansprüchen an die Empfindlichkeit bzw. Auflösung, Störfreiheit und Genauigkeit. In diesem Zusammenhang hat sich das Systemkonzept des intelligenten Sensors (smart sensor) mit direkter Busanbindung in den letzten Jahren immer mehr etabliert. Intelligente Sensoren setzen sich dabei prinzipiell aus den Funktionselementen: Sensor, analoge Signalaufbereitung (zum Beispiel Verstärkung, Offsetkorrektur) Analog-Digital-Wandlung, digitale Signalkorrektur und digitale Auswertung zusammen.

Während insbesondere für hochgenaue Sensorapplikationen der smarte bzw. intelligente Sensor de facto als Standardkonzept für Neuerscheinungen am Markt gilt, existiert noch immer eine sehr

unterschiedliche Leistungsbandbreite, was die eigentliche Signalaufbereitung und -verarbeitung und insbesondere die Leistungsaufnahme angeht. So ist es beim Übergang zu kleineren Technologien immer noch und immer wieder eine Hauptaufgabe, alle schaltungsspezifischen, analogen Störeinflüsse zu eliminieren, zu kompensieren oder zumindest zu minimieren. Anderseits sind bewährte Konzepte und Lösungen zu verändern, um den Forderungen nach Energieeffizienz nachzukommen. Häufig führt dies zu konträren Lösungskonzepten.

Nichtsdestotrotz existieren Schaltungstopologien und -ansätze die technologieunabhängig ihre Gültigkeit und insbesondere ihre Wirksamkeit für die Realisierung von hochauflösenden, energieeffizienten, rauscharmen, intelligenten Sensoren behalten.

Einfacher Ansatz – Große Wirkung Ein vielfach eingesetztes Konzept zur Beseitigung von Störeinflüssen auf der Spannungsversorgung ist das ratiometrische Messprinzip. Ratiometrische Messungen zeichnen sich dadurch aus, dass das Messergebnis als Quotient zweier Größen gesucht ist, welches

typischerweise von Störungen überlagert ist. Dabei ist jedoch ausschlaggebend, dass die Störungsüberlagerung die eigentliche Messung nicht beeinflusst. Eine ratiometrische Größe ist zum Beispiel unabhängig von der Versorgungsspannung.

Bild 1 zeigt am einfachen Beispiel, dass das Verhältnis der gemessenen Spannungen V1 und V2 an den Widerständen R1 und R2 unabhängig vom Absolutwert der Betriebsspannung VDD ist. Somit kann bei bekanntem Wert für R1 durch Messung des Spannungsverhältnisses auf das Widerstandsverhältnis bzw. auf R2 geschlossen werden, wobei gilt: R2 = R1 x V2 / V1.

Genau dieses Grundprinzip wird in Sensorinterface- und Sensor-Signal-Conditioning Standardschaltkreisen (SSC) von ZMDI (beispielsweise ZSSC3016 und ZSSC3017) eingesetzt, um quasi rauschfreie und betriebsspannungs-störfeste Applikationen mit einer Nutzsignalauflösung von effektiven 16 Bit zu ermöglichen. Als Erweiterung des ratiometrischen Grundprinzips werden hierbei die IC-internen Referenzspannungen beispielsweise für den Verstärker und den Analog-DigitalWandler (ADC) direkt von der entsprechenden Versorgungsspannung VDDB des resistiven Brücken-Sensorelements abgeleitet (Bild 2). In Folge dessen wirken sich Störungen auf VDDB nicht auf das Verhältnis der Sensorspannung VIN zur Eingangsspannung am AD-Wandler aus. Dies führt wiederum dazu, dass bei verbleibenden Schwankungen auf der Versorgungsspannung VDDB zwar die IC-internen Absolutpegel variieren, jedoch keinerlei Schwankungen im Wandlungsergebnis auftreten.

Für die neueste SSC-Generation von ZMDI wurde dieses Konzept erweitert.

Mittels leistungsarmer Betriebspannungsunterdrückung durch einen geeigneten Spannungsregler ist es mit dem ZSSC3016 möglich, low-power Sensorsysteme in stark gestörten Applikationsumgebungen einsetzen zu können, zum Beispiel in SmartPhones. Der Spannungsregler verringert

Auf einen Blick Ratiometrisches Messprinzip

Die Trennung der Betriebsspannungs-Domainen licht einen neuen Grad an Energieeffizienz für ho gung von Störeinflüssen auf der Spannungsvers Sensorinterface- und Sensor-Signal-Conditionin ZSSC3017) eingesetzt, um quasi rauschfreie un einer Nutzsignalauflösung von effektiven 16 Bit infoDIREKT www.all-electronics.de

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Analoge-/Mixed-Signal-ICs

dabei dynamische Verluste an parasitären Kapazitäten im Signalpfad und ermöglicht einerseits 16-Bit-genaue Systeme bei Betriebsspannungen bis 1,8 V unter gleichzeitiger Ausnutzung eines ratiometrischen Signalpfades.

Energieeffizienz durch clevere Spannungsversorgung Bild 1, oben: Basisschaltung ratiometrisches Messen.

Bild 2, rechts: Trennung von Interface und Ratiometrischer Topologie für energieeffiziente, resistive Brückensensor-Signalmessung (zum Beispiel im ZSSC3016 von ZMDI).

räten zu finden sind; eine Betriebsspannungs-Störunterdrückung von bis 90 dB ohne die Notwendigkeit zusätzlicher, externer Komponenten steht hier zur Verfügung.

Analoge Korrektur ist nur die Hälfte Analoge Leistungsparameter sind für die letztliche Sensormesswertqualität sehr wichtig; doch die digitale Signalkorrekturfähigkeit ist ebenfalls von wesentlicher Bedeutung. Typischerweise besitzen Sensorsysteme eine inhärente Nichtlinearität, welche sich sowohl aus der eigentlichen Messgröße ergibt (zum Beispiel Höhenluftdruck, hydrodynamischer Druck und Torsionsschwingung) als auch aus der Sensor-Charakteristik selbst. Zusätzlich besteht nicht nur bei resistiven Sensoren häufig ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Sensorsignal und Umgebungs- bzw. Sensorsystemtemperatur. Um daraus resultierende Messwertverläufe zu linearisieren und dadurch für die nachfolgende Auswertung optimal nutzbar zu machen, beinhaltet der ZSSC3016 beispielsweise eine speziell angepasste, digitale Verarbeitungseinheit, welche bis zu 7 verschiedene 18 Bit genaue Kalibrierkoeffizienten berücksichtigen kann. Die entsprechend notwendigen Kalibrierpunkte sind für jedes Sensor-IC-Paar spezifisch und müssen jeweils separat, in der Regel während der Inbetriebnahme des Sensorsystems, ermittelt werden. Dazu unterstützten die ZMDI-SSCs derartige Korrekturmethoden durch zusätzlich integrierte Temperatursensoren, die

n für Interface- und Signalverarbeitung ermögochgenaue intelligente Sensoren. Zur Beseitisorgung wird das ratiometrische Messprinzip in ng-ICs von ZMDI (beispielsweise ZSSC3016 und nd betriebsspannungsstörfeste Applikationen mit zu ermöglichen.

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Bild 3: Typische Operationsmodi von ZMDI: Sensorinterface- und SensorSignal-Conditioning-ICs. 70

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Alle Bilder: ZMDI

Der Betrieb bei niedrigen Betriebsspannungen bis hinunter zu 1,8 V bei gleichzeitiger IC-Stromaufnahme von höchstens 1 mA sind Grundansätze, die bei aktuellen SSC-Neuentwicklungen von ZMDI, wie dem ZSSC3016, verfolgt werden. Um darüber hinaus energieeffiziente Sensorapplikationen zu ermöglichen, bieten ZMDI-SSCs verschiedene Operationsmodi, wobei insbesondere der Wake-Up- oder Sleep-Mode den Gesamtenergieverbrauch minimiert.

Dabei ist der Schaltkreis in einem QuasiPower-Down-Zustand (Stromaufnahme weniger als 250 nA), aus dem er innerhalb weniger Sekundenbruchteile per BusKommando oder passende Schaltkreis-ID aufgeweckt werden kann, worauf eine komplette Sensormessung durchgeführt wird und der IC unmittelbar wieder in den Ruhezustand zurückkehrt. Je nach Interface-Protokoll kann das Messergebnis auch im Ruhezustand abgerufen werden.

Mit dem in Bild 2 realisierten Systemkonzept wird unter Nutzung so genannter Low-Dropout-Regler (LDO) eine weitgehend stabile, sehr niedrige Betriebsspannung (VDDB = 1,7 V) erzeugt. Der gesamte analog-digitale Sensormesspfad wird auf dieser niedrigen Spannung betrieben. Da, nicht zuletzt aufgrund des ratiometrischen Ansatzes, auch das eigentlich Brückensensorelement von VDDB gespeist wird, kann so die Gesamtstromaufnahme des Intelligenten Sensors minimiert werden.

Zusätzlich wurde zum Beispiel im ZSSC3016 der LDO so ausgelegt, dass er eine stabil-geringe Versorgungsspannung, VDDB auch unter extremen Bedingungen erzeugen kann, wie sie in mobilen Endge-

wie im ZSSC3016 mit einer rauschfreien Auflösung von unter 0,005 K/LSB im Bereich -40...+85 °C eine eigene Klasse für sich bilden könnten.

Darüber hinaus können schaltkreisinterne Signaloffsets, Voff über eine so genannte Auto-Zero-Messung (AZ) bestimmt und letztlich das eigentlich gewünschte Sensorsignal damit korrigiert werden. Dafür wird direkt am IC-Eingang der Signalpfad kurzgeschlossen. Zusätzlich zur Signalkorrektur ermöglicht die AZ-Messung die inhärente Applikations-Diagnose zur Überwachung von zum Beispiel Systemstabilität und Driftverhalten.

Mit diesen Methodiken lassen sich nichtlineare und temperaturabhängige Messgrößen und Sensorsignale optimal für die eigentliche, auf die Messwertermittlung folgende Informationsverarbeitung vorbereiten.

Standard-Features Bestehende und zukünftige Sensorinterface- und SSC-Schaltkreise von ZMDI bieten neben den erläuterten Eigenschaften unter anderem industriestandard-konforme und inhaltsflexible Digitalschnittstellen, wie I2C (bis 3,4 MHz) oder SPI (bis 20 MHz). Als Basis-IP für den ADC wird eine in Auflösung und Segmentierung programmierbare Charge-Balancing-Architektur eingesetzt. Hier kann zwischen reiner MSB-Wandlung (Most Significant Bit) und kombinierter MSB/LSB-Wandlung (LSB, Least Significant Bit) gewählt werden, wobei ein anwendungsspezifisches Optimum zwischen Wandlungsgeschwindigkeit und weiterer Rauschreduktion des Messergebnisses einstellbar ist. Komplett SSC-korrigierte, 16-Bit-aufgelöste Wandlungsergebnisse können mit einer Rate von bis zu 175 s-1 erzeugt werden. Mittels feinstufig programmierbarer, analoger Vorverstärkung und anpassbarer ADC-EingangsoffsetVerschiebung lassen sich ICs, der ZSSC31016 und andere auf verschiedenste Signalverläufe von Umgebungssignal sowie Sensorelementcharakteristiken (insbesonders Offset, Empfindlichkeit und Messbereich) und somit für nahezu jede Messaufgabe anpassen.

Letztlich bietet ZMDI dem Markt für Standard-ICs mit seinen 16-Bit-Schaltkreisen die Möglichkeit, größenoptimierte und energieeffiziente, intelligente Sensoren mit Leistungsparametern zu realisieren, die bisher nur von ASIC-basierten oder Einzelchiplösungen bekannt waren. (jj) n

Der Autor: Dr. Marko Mailand ist Projektmanager für MixedSignal-IC-Entwicklung im Bereich Medical, Consumer und Industrial bei ZMDI in Dresden. www.elektronik-industrie.de

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High-Precision Smart Sensors Via Innovative Signal Conditioning ICs

By Dr Marko Mailand (ZMDI) November, 2012 in Technology First

Sensor signal-conditioning ICs ease the design of sensor systems

by David Grice (ZMDI) October 1st, 2013 in Electronic Industry (USA)

1 Energy-Saving Initiative

sponsored by

an electronic products special series

Sensor signal-conditioning ICs ease the design of sensor systems Cost effective and power efficient, sensor-signal-conditioning ICs deliver high precision and accuracy if implemented properly

BY DAVID GRICE Field Application Engineer, ZMDI, www.zmdi.com

T

he market for sensors and sensor-related components is a high-growth industry expected to expand in automotive, industrial, medical, and consumer applications. Products such as media players, tablet PCs, and smartphones are driving significant growth in the sensor market, requiring a related increase in the number of designers and manufacturers integrating sensors into modules for resale or for their own products. The wide range of sensing element types and demands for faster time to market and lower costs present numerous challenges, even for veterans of sensor design.

The perennial challenge for sensor interface designers is correcting and calibrating the inherent non-idealities present in transducers, typically offset and nonlinear response to stimulus with a temperature dependence for one or both of these factors. There are a host of custom design approaches and solutions to this problem, but the availability of commodity integrated circuits offers designers new choices that are powerful and cost-effective. By combining precise, programmable analog circuitry with high-density digital controllers dedicated to processing correction algorithms, these sensor-signal-conditioner (SSC) ICs reduce the design time and cost of sensor systems while providing the designer with a menu of built-in capabilities and support tools for implementing sensor correction. Understanding the sensor’s characteristics and how to configure its corresponding SSC are key ingredients for obtaining optimum performance and keeping costs low.

Overview of sensor correction Transducers exhibit various types and degrees of offset and nonlinear response.

The basic idea of calibration and correction is to maximize the usable range and transform the nonlinear response into a predictable linear output that minimizes the error in the sensor output. The nature

while the span decreases with increasing temperature. The challenge is to understand what the exact nature of the dependence is and remove its contribution to system error. Plotting the offset and gain versus temperature will reveal another set of curves with linear, quadratic, or higher-order dependence on temperature.

Fig. 1: Typical sensor responses to input stimulus.

Fig. 2: Sensor output variation over temperature.

of non-idealities varies widely between sensor types, and the difficulty and complexity of applying corrections increase in proportion to the magnitude and degree of these undesirable effects.

Figure 1 illustrates several types of sensor responses. Each has different basic characteristics and related correction issues. S1 has low offset and relatively low nonlinearity. S2 has a narrow span but a very high offset, which must be removed before applying sufficient gain to create a useful signal level. S3 has a sharp “knee,” and piecewise linear correction is generally a good option for these types of nonlinearities. S4 has an inflection point and would require at least a third-order polynomial correction to achieve a high accuracy over the entire measurement range.

Another important factor to consider is how these sensors behave over temperature. Figure 2 shows a typical scenario for the temperature variation of a sensor element. In this case, the offset increases

OCTOBER 2013 • electronicproducts.com • ElECTROniC PROduCTs

Each individual sensor element will have its own characteristic span and offset with respective temperature dependencies. The type of correction algorithm applied must also account for the type and degree of these differences across variations such as process tolerances, shifts between manufacturing lots, or package stress effects introduced in the next assembly level.

Hardware implementation The block diagram shown in Fig. 3 presents a practical and cost-effective approach to sensor calibration and correction. It is a 16-bit resolution resistive-bridge sensor signal conditioner with built-in correction algorithms capable of compensating for a variety of undesirable sensor characteristics. A proprietary microcontroller with 18-bit digital signal processing (DSP) performs the necessary calculations for the correction algorithms using calibration coefficients Advertisement

2 Energy-Saving Initiative

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an electronic products special series Table 1: List of correction algorithms for an SSC showing the number of calibration points and the correction factors applied.

Fig. 3: Block diagram of a sensor signal conditioner IC.

stored in nonvolatile memory. In addition, this device performs auxiliary operations including temperature sensing and bridge biasing, and it has multiple communication interfaces. It represents a complete solution for interfacing and correcting the output of a sensor bridge, providing a precise, accurate, and compensated sensor output.

Getting to know your sensor One of the most important and effective tasks that the designer can carry out is a thorough characterization of the sensor element. Time and effort invested in this important step will pay off in the long run by reducing overall design time and development costs, improving the overall system performance and robustness, and ultimately reducing production test time and cost. It is tempting to rush through this part of the product development cycle, but experienced sensor system designers will testify to the importance of spending the necessary time and resources to characterize and analyze sensor data before proceeding to the next step of developing an optimized sensor correction algorithm.

For example, consider the response curve of sensor S3 in Fig. 1. If the input range is limited to between 10% and 30% or 60% and 90%, a first-order gain and offset correction algorithm might suffice, depending on temperature variations.

However, if the sensor must operate across the entire sensor input range, a more sophisticated correction algorithm is needed. Even if the intended range of operation appears to be confined to one of the linear regions, consider what would happen if a future lot of sensors were to shift so that the knee of the curve moved into what was previously a linear region?

Not having the flexibility and availability of more sophisticated correction techniques could require significant redesign.

It is vitally important for the sensor system designer to understand the characteristics of the sensor across the input measurement range and over the operating temperature range.

Some of the more important considerations includethe more important considerations include

• The shape and order of the sensor response over the desired measurement range, including at least a 10% margin outside the expected minimum and maximum values.

• The type and order of temperature dependence for offset and span.

• The consistency of the measured parameters. Consider what would be the effect on the correction algorithm if future manufacturing lots have a shift in a significant feature such as an inflection point or the sign of a temperature coefficient.

• Whether the characterization data set is adequate and statistically significant. This includes the number of devices tested and the number of points measured for each.

• How much error the data acquisition system contributes to the characterization.

• Selecting and implementing the best correction technique

production. With the sensor characterization data in hand, the degree and type of correction required for gain and offset can be matched with the best algorithm available in the SSC. Table 1 is a list of the some typical algorithms available in commercial ICs. The algorithms are organized by the type and degree of correction, and the second column indicates how many measurement points are needed to calculate the calibration coefficients for each algorithm.

The next columns list the element of correction each calibration method applies and describe the sensor characteristics that must be isolated and quantified to determine the optimal algorithm. TC refers to the temperature coefficient. Eliminate algorithms that correct for negligible effects in the particular system and choose the one with the least number of measurement points.

Once the sensors have been characterized and the dataset is evaluated, the next Fig. 4: Screen capture of software aid for selecting and step is to narrow the field evaluating calibration methods. of correction options. The SSC manufacturers usually provide ultimate goal is to produce measurement hardware and software for their devices results that meet sensor product accuracy that allow selecting and evaluating the calrequirements with the minimum number ibration methods quickly and easily. Softof points necessary for calibration during

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Unter der Haut

by Dr. Marko Mailand (ZMDI) October 2013 in electronik JOURNAL (Germany)

Aktive Bauelemente ASIC

Unter der Haut NFC- und Sensor-Komponenten auf einem Chip zur In-Vivo-Blutanalyse Spezifische Kommunikations- und Sensortechnologien mit modernsten biochemischen Lösungen kombiniert: Mit diesem Halbleiter adressiert ZMDI die kontinuierliche telemedizinische Überwachung von Blutparametern. So sollen zum Beispiel Diabetes-Patienten mehr über ihren Blutzuckerspiegel erfahren, ohne sich Blut zu entnehmen.

Autor: Dr. Marko Mailand

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it mehreren Millionen registrierten Erkrankungen ist Diabetes heute eine Volkskrankheit und eine der wesentlichen Ursachen für zahlreiche Kreislauferkrankungen. Medizinisch unterscheidet man zwischen Patienten, bei denen die Bauspeicheldrüse kein Insulin produziert (Diabetes Typ-1) und Betroffenen, bei denen der Körper eine Resistenz gegen Insulin zeigt (Diabetes Typ-2). Insbesondere die Typ1-Diabetes erfordert eine möglichst kontinuierliche Überwachung des Blutzuckerspiegels.

Bild 1: Der Fluoreszenz-Sensor von Senseonics misst nur 15 mm x 3 mm; er dient als Basis für ein implantierbares Glukosemesssystem.

Bild: fotolia: Kurhan

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Zur Lösung dieses Problems hat das Unternehmen Senseonics einen Fluoreszenz-Sensor entwickelt, der die Basis für ein implantierbares, kontinuierliches Glukosemesssystem bildet. Das neuartige Sensor-Systemkonzept ist neben der kontinuierlichen Glukosemessung auch auf eine ganze Reihe weiterer Anwendungen adaptierbar. Die Elektronik des ambulant implantierbaren (in-vivo) Sensor-Moduls (Bild 1) ist in einem speziell für Senseonics entwickelten ASIC von ZMDI integriert. Das elektronische Systemkonzept basiert auf der Nutzung ISO-kompatibler Nahfeld-Kommuni-

elektronikJOURNAL 05/2013

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Aktive Bauelemente ASIC

Bilder: ZMDI

Bild 2: Das Prinzipbild der Funktionsweise des In-Vivo-Glukose-Biosensors zeigt, dass der Sensor per NFC mit Mobilgeräten kommuniziert.

Bild 3: Sensor-System-Topologie: Der aktive Reader (links, NFCMaster) versorgt und kontrolliert den passiven NFC-Sensor-Transponder.

kation (NFC) und -Energieversorgung (ISO15693, zukünftig auch ISO14443-3) mittels loser, induktiver Kopplung. Befehle (zum Beispiel Messen, Daten speichern, Daten lesen, Diagnose), Daten und Energie werden dabei drahtlos vom NFC-Master zum implantierten Sensor-Modul, dem NFC-Sensor-Transponder, übertragen (Bild 2). Letzterer steuert den Ablauf, führt die jeweiligen Messaufgaben durch und sendet die Daten zurück an den NFC-Master, welcher die einzelnen Messwerte zum Beispiel in einen Glukosewert umrechnet. Der NFC-Master kann beispielsweise als ein spezifisches Armbandgerät ausgeführt oder auch direkt in einem Smartphone integriert sein.

Durch die Kombination von Wireless-NFC-Technologie mit einem optischen Signalübertragungsweg für die Bestimmung der Blutparameter – speziell der Glukosekonzentration – wird aufbautechnisch eine komplette Verkapselung des implantierbaren NFCSensor-Transponders möglich. Da nun aber auch die Energieversorgung drahtlos geschieht und das Sensor-Modul folglich batterielos agiert, ist die Lebensdauer nur noch durch inhärente Sensoreigenschaften begrenzt – das ist im Wesentlichen das Nachlassen der Fluoreszenzintensität des biochemischen Indikators, der sich auf der Außenseite des Sensors befindet.

NFC/RFID-Kompatibilität Wesentliche Anwendungsvorteile für die Patienten resultieren aus der Integration von ISO-standardkompatiblen Kommunikationsund Power-Management-Komponenten. Die aktuelle ASIC-Version implementiert ein ISO15693-Transponderinterface. Das analoge ISO-Frontend nutzt einfache Amplitudendetektion zur Demodulation und ein steuerbares Lastverhalten mittels einer ClampSchaltung zur passiven Rückmodulation. Bei Letzterem wird das Magnetfeld mit der Modulationsfrequenz von ungefähr 423,75 kHz entsprechend gedämpft; diese Dämpfung detektiert dann der www.elektronikjournal.com

Reader oder NFC-Master. Der Anwendungsvorteil der ASIC-Realisierung als passiver Transponder liegt auf der Hand: im SensorModul wird keine Batterie benötigt, und es besteht damit keine Einschränkung der Lebenszeit und In-Vivo-Verbleibedauer aufgrund von Energieversorgungseigenschaften.

Störungen vermeiden Die besondere Herausforderung besteht nun darin, zu verhindern, dass der Reader jedes Last-Schaltverhalten der digitalen und analogen Baugruppen, insbesondere des Sensor-Teils, als Rückmodulation fehlinterpretiert (Bild 3). Zusätzlich muss gewährleistet sein, dass für eine Sensor-Messung oder einen Messzyklus ausreichend Energie zur Verfügung steht.

Die größten Stromverbraucher des ASICs sind der Analog-Digital-Wandler sowie der LED-Treiber beziehungsweise die LED an sich. Diese brauchen etwa 0,35 mA bei einer intern geregelten Spannung von 2,8 V (ADC) oder bis zu 2 mA bei der ungeregelten Betriebsspannung Vsup ~ 4 V (LED) entsprechend der Topologie in Bild 3. Um trotz dieser notwendigen Lastunterschiede keine unerwünschten Frequenzanteile in der Luftschnittstelle zu generieren

Auf einen Blick Alles drin Ein besonderer ASIC von ZMDI nutzt NFC zur Kommunikation und Energieversorgung, kombiniert mit dem Treiber für eine UV-LED und den entsprechenden Photo-Sensoren sowie der Signalaufbereitung und -Verarbeitung. Mit diesem Chip hat Senseonics eine implantierbare Lösung zum Messen von Blutparametern entwickelt. infoDIREKT www.all-electronics.de

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elektronikJOURNAL 05/2013

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Aktive Bauelemente ASIC

Tabelle: Optionen und Eigenschaften des Multi-Sensor-Front-Ends Mess-/Sensor-Typ

Messbereich

Maximale Empfindlichkeit

Fotodioden-Strom

1,16 µA

4,5 pA/count

Temperatur

+15 … +50 °C

18 mK/count

Externe Spannung

-1,5 … +1,5 V

1,2 mV/count

Feldstärke (Iclamp)

140 mW

10 µW/count

Spannung: LED-Treiber

1,6 V

1 mV/count

Diagnose – Optik

1,16 µA

4,5 pA/count

Diagnose – Temperatur

+15 … +50 °C

18 mK/count

Im ASIC ermitteln eine ganze Reihe an Sensoren wichtige Daten über den Patienten. Quelle: ZMDI.

Bild 4: Die Systemsteuerung und der Messablauf ermöglichen bis zu acht Messungen pro Zyklus.

sind im ASIC speziell geformte, stetige Ein/Ausschalt-Rampen in der Power-Management-Einheit integriert. Dadurch werden die Spektralanteile, verursacht durch das Schalten, in einen Bereich um die 400 kHz verschoben – das relevante Passband liegt aber bei 13,56 MHz ±1 MHz. Das Datensignal wird somit nicht gestört.

als ausreichend ist. Das ermöglicht eine Situations-optimale, energieeffiziente Systemauslegung der gesamten Applikation (NFC/ Sensor-Transponder in Zusammenspiel mit NFC-Master). Die Tabelle zeigt die entsprechenden Dynamikbereiche und Empfindlichkeiten der integrierten Sensoren.

On-Chip-Sensorik

Adaptierbarkeit durch digitale Steuerung

Das Hauptmessprinzip zur Ermittlung der Glukosekonzentration nutzt zwei optische Kanäle. Eine vom ASIC gespeiste UV-LED emittiert Licht, welches von der Kapseloberfläche zurückgeworfen wird. Ein Spektralanteil besteht dabei genau aus dem emittieren UV-Licht und beinhaltet keinerlei Nutzinformation.

Der Hauptspektralanteil jedoch, resultiert aus der Fluoreszenz der Indikatorchemikalie an der Außenseite des Sensormoduls.

Hierbei werden genau nur jene Indikatoren zur Fluoreszenz angeregt, an welche sich Glukosemolekühle gekoppelt haben (Bild 2).

Dabei gilt, dass die Intensität der Fluoreszenz direkt von der Konzentration der Glukose abhängt. Beide Spektralanteile (UV-Reflektion und Signal-Fluoreszenz) werden von spektral selektiven OnChip-Fotodioden detektiert und im ASIC analog aufbereitet und digitalisiert.

Alle biochemischen Prozesse sind temperaturabhängig. Zur Kompensation dieses Einflusses ist im ASIC ein hochgenauer Temperatursensor integriert. Über diesen kann auf weniger als 0,2 K genau die tatsächliche Temperatur des Sensor-Moduls und des umgebenden Gewebes bestimmt werden.

Die digitale Steuerung der einzelnen Sensorkanäle erlaubt bis zu acht unterschiedliche Messungen pro Messzyklus. Ein Messzyklus ist dabei die tatsächliche Reaktion des NFC/Sensor-Transponders auf einen einzelnen Messbefehl des NFC-Masters. Je nach den gewünschten Informationen sowie der dafür notwendigen Messabfolge werden in einem Zyklus Messungen mit und ohne emittierender LED durchgeführt (Bild 4), die Einzelwerte in On-ChipRegistern zwischengespeichert und nach Beendigung aller Messungen die gesammelten Ergebnisse über die NFC-Schnittstelle übermittelt. Die einzige Begrenzung liegt dabei darin, dass der NFC-Master entsprechend der ISO-Standards eine Antwortzeit von maximal 20 ms zulässt. Ein Messzyklus inklusive Setup und Antwort muss somit innerhalb dieser Zeit geschehen, um kein NoResponse-Timeout-Ereignis auszulösen.

Die Auswertung und Interpretation der einzelnen Sensor-Messwerte geschieht dann softwarebasiert auf der NFC-Master-Seite.

Die freie Konfigurierbarkeit des Messzyklus’ ermöglicht die Anwendung des ASICs und seiner Einzelsensoren in verschiedenen Applikationen. So sind neben der Glukosemessung beispielsweise auch Messungen für Blutsauerstoff, Blutalkohol und vieles mehr denkbar. Hierfür kann das elektronische Sensor-System einfach angepasst werden – es bedarf dafür aber anderer biochemischer Indikatoren.

Selbstdiagnose Darüber hinaus sind im ASIC mehrere Eigendiagnostik- und Applikations-Status-Sensoren integriert. Bei der Eigendiagnostik werden dem Temperaturmesspfad oder dem optischen Messpfad (über die Fotodioden) vordefinierte Schaltungsoffsets hinzugefügt, die zu einer bekannten, erwarteten Änderung des Analog/DigitalWandler-Ergebnisses im Verhältnis zur entsprechenden Nicht-Diagnostik-Messung führen müssen. Dadurch lassen sich eventuelle ASIC-interne Alterungs- oder Drift-Effekte auch im implantierten Zustand des Sensors erkennen.

Der On-Chip-Statussensor zur Messung der aktuell verfügbaren Feldstärke ermöglicht es, dem Patienten mitzuteilen, ob die Kopplung, sprich die Lage des NFC-Masters relativ zum Sensor-Modul, ausreicht oder verbessert werden muss, um genügend Energie für den Betrieb zu übertragen. Auf diesem Weg kann der Sonsor den NFC-Master auch informieren, wenn die Übertragungs- oder Sendeenergie sinken darf – falls die induktive Kopplung gerade mehr 30

elektronikJOURNAL 05/2013

Im Test Derzeit befindet sich das erste Gesamtsystem von Senseonics zur Glukosemessung in der klinischen Erprobung in den USA, Kanada, Großbritannien, Deutschland und Indien. Die Entwicklung dieses Systems und des zugrunde liegenden NFC/Sensor-Transponder-ASICs von ZMDI ist dabei ein erster Schritt auf dem Weg zu vollständig autonomen, robusten telemedizinischen und klinischen Anwendungen, die sich vollständig in den normalen Alltag integrieren lassen. (lei) n Der Autor: Dr. Marko Mailand ist Projekt Manager für MixedSignal-IC-Entwicklung im Bereich Medical, Consumer und Industrial bei ZMDI in Dresden. www.elektronikjournal.com

Designing an ASIC Chip to Control an Implantable Glucose Measurement Device

by Uwe G端nther (ZMDI); Andrew DeHennis (Senseonics, Inc.) November 2013 in Medical Design Briefs (U.S.)

Sensor module design improves automotive electrical integration

by Torsten Herz (ZMDI) 2014 in 21ic. eBooks (online publication) in Asia

传感器模块设计促进汽车电子的集成 作者：ZMDI 公司，Torsten Herz 得益于最新的基础传感器的控制系统所提供的精确、实时的监测，新汽车引擎的工作效率更高，对环境的影响更小。 这种性能改善的一项结果是，车辆中传感器应用的数量在过去几年中突破了两位数的增长。另一项结果是，在车辆中增加 更多的传感器模块成为一项趋势。这些模块必须可靠、强韧，必须能够在恶劣的物理、化学和电气压力条件下长期稳定工 作，并具有高精度。 此外，汽车传感器模块还需要一系列内置的诊断功能，以支持汽车 OEM 厂商“按需维护”的政策，以及安全攸关的 传感器应用（比如刹车压力传感）所需的特殊故障模式操作。 对于传感器模块而言，耐化学性（即对介质、湿气和腐蚀的免疫性）和物理强韧性（例如耐冲击和振动）主要取决于 所采用的材料以及组装和连接技术。电气强韧性，即电磁兼容性（EMC），取决于应用电路、电子元器件（集成电路，分 立器件）以及应用电路中的电气连接的布局走线。 本文将描述汽车传感器模块于电气强韧性方面的设计与应用。采用 ZSC31150 传感器信号调理器（SSC 集成电路）能 够设计出高精确度的传感器模块，其不仅能够在-40 至+150°C 的温度条件下工作，而且能够提供更好的 EMC 性能以及一系 列保护和诊断功能，以用于处理 SIL2/ASIL-B 等级的关乎安全的应用。采用传感器模块的智能化电气设计，将所有 EMC 相关参数考虑在内（即，寄生电容和电感），可以在最优的模块成本下实现高度的电气强韧性和内置的诊断功能，以及对 被测信号的极高精度测量。 因为传感器系统和处理单元之间的机械设计和互连对其电磁行为有着重要的影响，所以针对嵌入式传感功能（ESF） 和独立传感器模块（SASEM）使用不同的方法是至关重要的。 就 ESF 而言，传感器电子的位置靠近处理单元——在汽车应用中就是电子控制单元（ECU）。ESF 和 ECU 之间的连 接通常非常短（<<30cm），一般以印制电路板（PCB）上的走线来实现。现代 ESF 都提供了数字接口，例如串行外设接口 （SPITM，微芯科技的商标），其连接到 ECU 的微控制器。因为在同一 PCB 上且距离较近，因此有几种选择可供满足汽车 中严格的 EMC 要求（即，屏蔽或使用外部保护器件）。ESF 的一个例子就是气压传感。 对 SASEM 而言，配置是完全不同的。它们往往通过最长可达 2.5 米的无屏蔽线束连接到 ECU（参见图 1 中的示 例）。模块外壳（金属或塑料材质）内部可用的电路板空间是非常有限的，并趋于进一步的微型化，因为更少的材料耗费 等同于更轻的重量，进而等同于更低的成本。取决于不同的供电方式（电池供电或 ECU 供电），有各种兼容的输出接口：

电池供电的 SASEM

• • • • •

脉宽调制（PWM）输出（高边负载） PWM 输出（低边负载） 控制器区域网络（CAN 总线）接口 本地互联网络（LIN 总线）接口 纯粹的模拟电压输出

ECU 供电的 SASEM

• • •

比值测量模拟电压输出 SAE J2716 单边半字节传输（SENT）接口（快速、单向的点到点数字数据传输） 外设传感器（PSI5）接口（两线电流编码的数字数据传输）

图 1：汽车压力传感器模块的典型构造 ECU V+ OUT VHarness(1=1.7m) Plug for Electrical Connection Case of the Module Electronic Parts PCB Plug for Pneumatic or Hydraulic Connection Pressure Supply Adaptor(“PSA“) with Sensor System to be Monitored

ECU V+ OUT V线束（I=1.7 米） 电气连接插头 模块外壳 电子器件 印制电路板（PCB） 气动或液压连接插头 带传感器的压力适配器（PSA） 待监测系统

对客车而言，使用 ECU 供电的 SASEM 来提供比值测量模拟电压输出这种方式仍然很常见。常见的供电电压大约是直 流 5V±10%，而单个 SASEM 总的电流消耗应当≤10mA。如前所述，外壳的工作条件相当恶劣，这就导致了一些有效的无 源 EMC 保护器件无法使用，比如铁氧体磁珠，它只能工作在最高+125°C 的温度下。 SASEM 的 EMC 要求 取决于模块的不同设计（例如，模块外壳的材料），ZSC31150 的差分输入端 VBP 和 VBN 到 VSSA 之间可能额外需要 两个 10nF（最大）电容（如图 2 绿色部分所示），以满足 SASEM 的 EMC 规范——这就需要我们对有关典型的汽车 EMC 要求加以讨论。

图 2：ZSC31150 汽车应用电路

5VDC Standardized Artificial Network(AN) 1μF 1μh 100nF Application-Specific Test Network VDD VOUT VSS DC BCI Antenna at Varying Positions Harness(1=1.7m) Case of the Module RF GND=chassis IRF_sink IRF_source ZC_GND PCB CS_PSA SSC-IC+ext.caps PSA CV+_C CVOUT_C CV-_C ZPSA_C

直流 5V 标准化人工网络（AN） 1μF 1μh 100nF 专用测试网络 VDD VOUT VSS 直流 各种位置处的 BCI 天线 线束（I=1.7 米） 模块外壳 射频 地=机壳 IRF_sink IRF_source ZC_GND PCB CS_PSA SSC 集成电路+外部电容 PSA CV+_C CVOUT_C CV-_C ZPSA_C

重要注解：强烈推荐在设计模块之前为每种 EMC 测试定制该电路，因为不同的 EMC 测试电路可能会要求不同的模块 设计。“通用的”解决方案往往过于昂贵。 为了满足苛刻的汽车 EMC 要求，必须考虑所有的相关电气寄生参数，特别是电气传感器电路和 SASEM 的其他传导器 件之间的寄生电容，如图 3 所示。模块的结构可能有许多不同的配置，其在汽车内部的组装如表 1 所示。外壳和压力适配 器（PSA）都可以是塑料或金属的，并且二者都可以与底盘有电流接触或没有接触。 模块构造 塑料外壳和塑料 PSA 塑料外壳和金属 PSA 金属外壳和塑料 PSA 金属外壳和金属 PSA

金属外壳和金属 PSA

汽车装配 与汽车底盘没有电流接触 PSA 与汽车底盘之间没有电流接触 PSA 与汽车底盘之间有电流接触 外壳与汽车底盘之间没有电流接触 外壳与汽车底盘之间有电流接触 外壳与汽车底盘或 PSA 之间没有电流接触，PSA 与汽车底盘间没有电 流接触 外壳与汽车底盘或 PSA 之间没有电流接触，PSA 与汽车底盘间有电流 接触 外壳与汽车底盘间没有电流接触，但与 PSA 之间有电流接触，PSA 与 汽车底盘间没有电流接触 外壳与汽车底盘间没有电流接触，与 PSA 之间没有电流接触，而 PSA 与汽车底盘间没有电流接触 外壳与汽车底盘及 PSA 之间有电流接触

配置 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

表 1. 模块构造和汽车装配可能的配置 在表 1 中，就 BCI 测试的等效 RF 电路而言，配置 1 和 10 代表了两个极限。在配置 1 中，所有的寄生阻抗都是最大 值；而在配置 10 中，它们都是最小值或已经短路。 影响 SASEM EMC 的模块特性 第一项考虑因素是 CBCI 天线和线束之间的电磁耦合。如果 RF 电流 IRF 的频率在 RF 发射 CBCI 天线和被测器件 （DUT）之间的线束段的初始谐振频率的范围内，那么感应电流 IRF_sink（见图 3）就是最大的。感应电流值取决于寄生阻 抗，特别是 ZC_GND。

随着 IRF_sink 的增加，其对被测器件的影响也变得更强。最坏的情况（即最大的射频敏感性）是配置 10，因为 ZC_GND = 0 欧姆（外壳和车辆底盘间的电流接触）且 ZPSA_C=0 欧姆（PSA 和外壳间的电流接触）。在这种情况下，IRF_sink 只受限 于被测器件的信号路径 VDD、VOUT 和 VSS 相对于外壳的寄生电容（CV+_C，CVOUT_C，和 CV-_C），以及相对于 PSA 的传 感器桥的寄生电容（CS_PSA）。不过，还有一些其他寄生电容（即相对于外壳的内部信号路径）也可能会降低被测器件的 射频敏感性。

示例

• • •

DUT=±40mV（标称值）的模拟输出电压所允许的容差 输入信号的有效增益“G”（在 SSC 集成电路的模拟前端进行调节）：G=400V/V 直流桥电阻=4kΩ；在其差分端产生的 AC 桥阻抗=2kΩ

在本示例中，由射频能量所引起的差分桥电压的变化极值是（±40mV/G）=±0.1mV，而所产生的桥分流电流之间差值 的极值是±0.1mV/2kΩ = ± 50nA! 这个非常简单的示例说明了机械结构和所选材料对传感器模块的 EMC 性能的影响。在汽车大批量生产的条件下，考 虑到系统的成本，定义寄生参数要更为困难。 一种有效的设计理念是基于选择不导电材料作为示例压力传感器模块的外壳和压力适配器（PSA）（参考表 1 中的配 置 1）。这种不导电材料确保了 ZPSA_C 和 ZC_GND 取得最大值。但是，为了消除 PCB 的导电结构相对于地的其他寄生电容 的影响，设计必须将模块在车内的装配情况考虑在内。如果被监测系统与其外壳之间的连接也是由不导电材料组成的，那 么寄生阻抗就是最大值。 在 PCB 布局走线时，比较容易确保相对于地的寄生电容 CV+_C，CVOUT_C 和 CV-_C 近乎相等，以使得进入的射频能量 就像是 SASEM 的共模信号。换句话说，在 SASEM 处，没有合适的射频地可用，这使得在被测的宽谱频率范围内阻拦该 射频能量（例如，通过电容）变得几乎不可能。此外，电容不是“理想”元件——它们内部也有寄生参数——特别是其串 联电感（ESL），它决定了电容开始像电感那样起作用的频率极限。典型的 0805 封装 MLCC-X8R 电容的 ESL 是 1~1.5nH。只有通过高的共模抑制比（CMRR），才能实现对所加射频能量的高抗扰性。ZSC31150 可以通过配置保证这一 点。 如果 SASEM 外壳和 PSA 需要用导电材料，所产生的寄生阻抗会更小，而感应射频电流会更大。因为 SASEM 中不同 元器件（即本示例中的外壳、PCB 和 PSA）间存在机械容差，所以在大批量汽车生产的制造条件下，很难确定这些寄生参 数。 这个问题的一种解决方案是，为感应射频电流设计一条从线束到地的通道，它需要靠近传感器系统的信号路径并具有 极低的阻抗。模块的导电外壳可以提供这种通道，并为模块的 PCB 提供针对 GHz 范围内辐射射频信号的屏蔽。采用这种 结构理念的另一优势在于，SASEM 在车内装配的条件无法降低其电磁抗扰性，因为采用这种设计考虑了最坏的情况（参见 表 1 中的配置 10）。 SASEM 的负电源电压与底盘之间不允许有电流接触。在外壳与地之间增加一个具有足够高的额定工作直流电压和承受 高瞬态电压的电容即可以为射频电流提供这样的一条路径。这一解决方案的巨大缺点是必须使用到金属外壳（例如，铝质 外壳）的强韧性以提供长期稳定的电气连接，从而增加了成本。此外，外壳与地之间的电容必须指定相对较高的电压（例 如 500 或 1000V），从而导致更大的封装和更高的成本。 上面讨论的隔直电容（连接在 VDD-VSS 和 VOUT-VSS 之间）的 ESL 以及所导致的对有效频率范围的限制也需要加以 考虑。同样，备选方案是创建一种 PCB 布局走线，针对到 SSC 集成电路的敏感的传感器信号线进行优化，以便通过浮动 的金属外壳为感应射频能量提供高的射频对称性和完全相同的阻抗。这会使得进入的射频能量就像是 SASEM 的共模信号 一样。针对于金属外壳直接放电的 ESD 所需的强韧性（典型要求：自 SASEM 的地算起±15kV）可以通过将应用电路绘制 在 PCB 上以及与金属外壳间的其他适当的隔离来实现。 通过最坏情况下大电流注入测试的模块设计 图 4 演示了基于表 1 中的配置 10，在不使用外壳到地电容的情况下，所生成的面向共模大电流注入（CBCI）的电路。

图 4：基于配置 10 经过优化的传感器模块的 CBCI 测试电路和 EMC 电路 5VDC Standardized Artificial Network(AN) 1μF 1μh 100Nf(typ.)

Application-Specific Test Network VDD VOUT VSS DC BCI Antenna at Varying Positions Harness(1=1.7m) Case of the Module RF GND=chassis IRF_sink PCB CS_PSA ZSC31150+ext.caps PSA CV+_C CVOUT_C CV-_C

直流 5V 标准化人工网络（AN） 1μF 1μh 100Nf(典型值) 专用测试网络 VDD VOUT VSS 直流 位置变化的 BCI 天线 线束（I=1.7 米） 模块外壳 射频 地=底盘 IRF_sink PCB CS_PSA ZSC31150+外部电容 PSA CV+_C CVOUT_C CV-_C

通过图 4 中 PCB 上所示的 3~5 个外部电容，可以用配置 10 来实现合适的 EMC 性能。在“最佳情况”条件 1 中，只需 C1、C2 和 C5 即可满足 EMC 要求。这些电容也能够显著降低模块引脚处的 ESD 峰值电压，因此通过>4kV（例如 8kV ESD）电压的 ESD 测试成为可能。在“最坏情况”配置 10 中，除了 C1、C2、C3、C4 和 C5 之外，可能还需要进行合理的 PCB 布局走线并采用与金属外壳间的合适隔离。 PCB 布局走线对于降低传感器模块的电磁敏感性是非常重要的。电容 C1 和 C2 必须尽可能地靠近线束的末端，而到 SSC 集成电路引脚的走线应该具有几乎完全相等的尺寸。强烈推荐所有连接传感器元件和 SSC 集成电路输入的 PCB 走线 都应当越短越好，越相近越好。电容 C5（如果需要，还有 C3 和 C4）必须放置得尽可能地靠近 SSC 集成电路引脚。所有 这些建议都能够帮助优化 PCB 布局走线的射频共模特性，以实现射频拒绝（RF rejection）。 符合 GMW3097 汽车标准的模块设计 一项严格且有关暂态强韧度的 EMC 标准示例是通用汽车的 GMW3097 标准。这项汽车规范要求系统能防护以电容方 式耦合到供电线上的高达 85V 的暂态脉冲，后者会产生串扰行为。这项规范要求在测试时用 100nF 的耦合电容以串联方式 连接到“尖峰发生器”，后者所产生的一系列 10 个 85V 脉冲会被传输到 SASEM 的线束上。在测试中，SASEM 允许有一 项或多项功能超过规范的极限值；但是一旦测试完成，这些功能必须回到规范。

应用要求规定了为满足GMW3097 规范需要哪些I/O线路。在下面的示例中，由等式 2 确定，我们选择了在图 5 的测试 线路中所示的电路元件值，以便在供电线路（VCC）上满足 85V规范。要在ZSC31150设计中满足这项要求，需要如下的元 器件，因为它的供电引脚VDDE和VSSE以及模拟输出引脚OUT都指定了最大±33VDC的直流过压： C1 = 220 nF C2 = 47 nF（推荐值；参考 ZSC31150 的数据手册） C3 = 100 nF（推荐值；参考 ZSC31150 的数据手册） C4 = 100 nF (2)

（2） 其中，在尖峰产生过程中 V1 = 85V，

(3)

在尖峰产生过程中

图 5：示例 GMW3097 EMC 测试设置 Sensor Module VDDA VDDE VSSA ZSC31150 VSSE VCC OUT GND Application under Test VCC GND Spike Generator (Impedance ≤2Ω ) 面向满足诊断需求的模块设计

传感器模块 VDDA VDDE VSSA ZSC31150 VSSE VCC OUT 地 被测应用 VCC 地 尖峰发生器（阻抗≤2Ω）

为了遵从汽车 OEM 厂商“按需维修”的政策，需要 SASEM 提供一系列内置诊断功能，以检验传感器元件，到 ECU 的连接以及内部电子线路的正常工作（特别是 SSC 集成电路）。除了 SSC 集成电路中由其架构所决定的内部诊断以外， “按需维修”还需要一些常见的诊断功能。 以下诊断功能与传感器元件有关：

• •

传感器连接检查（考虑走线的短路和断路） 传感器老化检测

对于 SASEM 和 ECU 之间断掉的线束电线的检测，有两种重要的情况：

• •

电源缺失；即 VCC 线存在断路 地缺失；即地线存在断路

对于这两种情况，必须要确保 ECU 可以检测到输出信号线的这些故障状况。根据 ECU 设置的不同，可能会要求输出 信号通过连接到信号线的 ECU 负载电阻驱动到诊断故障带（DFB）。为启用此设置，在这两种故障情况下，SASEM 的信 号输出必须被驱动到高阻态/低漏电流态。例如，当出现电源/地缺失时，规定 ZSC31150 的输出其输出漏电流在+150°C 时≤ ±25µA（在+125°C 下≤ ±12.5µA）。 最佳的独立传感器模块设计 对于 ECU 供电的独立传感器模块，如果其接口采用电阻性的传感器元件并提供比值测量模拟电压输出，那么汽车 OEM 应用的所有技术和商业要求都可以通过深思熟虑的模块设计（特别是 PCB 布局走线）来得以满足，这时需要考虑无 源元器件的真实特性以及所有相关的寄生参数，并利用高性能的 SSC 集成电路（例如 ZSC31150）。 Torsten Herz 是 ZMDI 公司全球现场应用工程组经理

ZMDI RELEASES THE ZSSC416X SENSOR SIGNAL CONDITIONER FAMILY Press Release for the product release ZSSC416x July 2014 on industryeurope.net

ZMD AG (ZMDI), a Dresden-based semiconductor company that specializes in enabling energy-efficient solutions, today announces the ZSSC416x, the first in ZMDI’s series of next generation of sensor signal conditioners. As a global supplier of analog and mixed-signal solutions for automotive, industrial, medical, information technology and consumer applications, ZMDI is pleased to introduce a state-of-the-art sensor signal conditioning family capable of measuring single, dual or differential bridge inputs and internal or external temperature sensors. With a wide analog pre-amplification range, the ZSSC416x family is capable of highly accurate amplification and sensor-specific correction for most resistive bridge sensors as well as thermocouple readings. Measured values are provided via the digital SENT 3.0 output or I2C™ (trademark of NXP).

“The ZSSC416x is the first series of products from ZMDI’s Next Generation Sensor Signal Conditioner Family designed for ease of integration into our customers’ sensor platforms without sacrificing the performance and flexibility needed for the lowest possible system costs,” stated Steve Ramdin, Global Product Line Manager for Multi Market Sensor Platforms at ZMDI. In addition to the highest proven performance needed for future products, ZMDI’s Next Generation Sensor Signal Conditioner Family ICs offer customers ease of use with a wide range of predefined signal processing configurations and flexible input pin selection for quick integration in a wide variety of applications. Mr. Ramdin added, “Our goal is to make it easy for our customers to build flexible sensor platforms, quickly and at the lowest possible system costs.”

Features • Full SENT Rev 3.0 compliance • Two full bridge sensor inputs; configurable for single, dual or differential measurements • Internal and external temperature sensing • Supply voltage range: 4.75V to 5.25V • Overvoltage protection to +/- 18V • ADC resolution: 12 to 18 bit • Output resolution: 12 bit via SENT and up to 16 bit for I2C™ • Designed for ASIL B requirements in safety-relevant applications • Temperature range:-40°C to 150°C • Flexibility for end applications (e.g., additional NTC linearization, algorithms for HTS sensors, calculation of mass flow) • Standardized pin layout for family ICs facilitates platform designs With built-in overvoltage and reverse polarity protection, excellent electromagnetic compatibility and built-in diagnostics features, the ZSSC416x family is optimized for safety critical applications and harsh environments.

Availability and Pricing The ZSSC416x family will be available for mass production in December 2014; however, interested customers can receive samples and pricing today by contacting ZMDI or their distribution partners directly.

Next-Generation Sensor Signal Conditioners Powerful and Flexible yet Easy to Use

by David Grice September 2014 in Sensor Technology

Next-Generation

Sensor Signal Conditioners Powerful and Flexible yet Easy to Use

By David Grice, Applications Engineer Zentrum Mikrokelektronik (ZMDI), Dresden, Germany

l

SO MANY SENSORS, SO LITTLE TIME As demands increase for the number, type, and range of sensors in almost every product category, the difficulty of implementing them increases proportionately. This is especially true in the automotive arena, driven by efficiency, safety, and emission requirements.

Existing sensor technologies are inadequate to meet many of these new and more stringent requirements, spurring the development of a new class of sensors based on micro-electromechanical systems (MEMS). These new sensors are smaller, lighter, more robust, less expensive, and consume less power, but they also produce electrical signals that are smaller and more nonlinear than their bulkier counterparts.

A

s the quality of output from transducers declines to meet application demands, system requirements such as measurement range, accuracy, speed, and power consumption continue to increase, squeezing the performance of sensor signal conditioning (SSC) circuits from both ends and making the task of designing them exponentially more difficult.

â&#x20AC;&#x153;One of the key features of next-generation SSCs is flexibility.â&#x20AC;?

NEXT GENERATION TO THE RESCUE In the same way increasing demands have spurred a new class of sensors, Zentrum Mikroelektronik (ZMDI) is developing and introducing the next generation of SSC products and technologies to the sensor marketplace. This article describes some of the most important and beneficial new features of these new SSCs.

FLEXIBILITY IS A BEAUTIFUL THING One of the key features of nextgeneration SSCs is flexibility. The types and combinations of physical quantities measured for products are growing rapidly and new SSCs must facilitate fast development of complex sensor modules with low component counts and a user interface that is easy to learn and use. This requires a signal interface that is configurable for a wide range of signals, and correction algorithms that are much more complex than second or third order polynomial curve fitting offered by previous generations of SSCs. For example, a single application might require the conditioning of two temperature inputs, one being a diode and the other a thermocouple, and two resistive pressure bridges with widely varying output levels, each of which require linearization and calibration.

Flexibility is not limited only to signal types and ranges, however.

Another dimension of configurability is required for the sequence of signal processing tasks. Typically, some signals must be acquired at a much higher rate than others and the

quantization and correction algorithms must be reconfigured quickly from one measurement to another in a programmable fashion. In addition to this, sometimes it is necessary to perform math operations between signals, like subtracting two pressure inputs to generate a differential pressure output. The SSC must generate a userprogrammable sequence that samples the inputs in a defined order and rate, correct each signal according to a userdefined calibration algorithm, and combine the conditioned outputs into an orderly stream of data.

Finally, flexibility must include the number and type of output signals and protocols. Reliability, safety, weight, and noise constraints are also driving the creation of innovative new output protocols like single-edge nibble transmission (SENT) for the automotive industry. Next-generation SSCs must support new interfaces like SENT along with the traditional analog, one-wire, and serial interfaces such as *I2C™ and SPI. In fact, the SENT interface is output only, and requires an auxiliary interface like I2C to configure and calibrate the SSC. Another important feature for nextgeneration SSCs is the ability to perform self-testing and diagnostics to meet critical safety standards like the automotive safety

*I2C™ is a trademark of NXP.

integrity level (ASIL) for automotive applications. These requirements include detection and notification of faults due to open or short circuits, outof-range parameters, aging sensors, and excessive temperature. Additionally, the SSC must be able to monitor these faults while tolerant of shorts to ground or supply voltage, supply overvoltage conditions, or reverse battery connections.

“A highly efficient and powerful reduced-instruction-set computer coordinates numerous control and computational tasks.”

Figure 1. An example block diagram of a next-generation SSC from ZMDI.

PUTTING IT ALL TOGETHER Figure 1 shows the block diagram of a next-generation SSC. In this particular case, the SSC supports two temperature inputsâ&#x20AC;&#x201D;one resistive, one diodeâ&#x20AC;&#x201D;and two resistive bridge inputs. The conditioning signal chain includes sensor check and common mode (SCCM) adjustment, multiplexing (MUX), programmable gain (PGA) from 1 to 200 V/V, and an analog to digital converter (ADC) with adjustable sample rate and resolution from 12 to 18 bits.

The SSC in figure 1 looks similar to other SSCs that are presently available, but most of its potential and flexibility lies in the calibration microcontroller (CMC). A highly efficient and powerful reduced instruction set computer (RISC) coordinates the numerous control and computational tasks necessary to provide the tremendous amount of flexibility required for next-generation SSCs. The controller also combines the multiple output data packets into a structured stream in a wide variety of formats that can be either analog or digital.

The cycle of tasks performed by the RISC engine consists of three main types: measurement tasks, conditioning tasks, and output tasks. Measurement tasks include operations that select the MUX input and signal polarities, the gain and offset of the signal path, the speed and resolution of the quantizer, and auxiliary tasks such as auto-zeroing gain stages. The output values of all the main measurement tasks are stored in registers for processing by the conditioning tasks. These tasks range from simple operations like shifting and synchronization to basic math functions such as add, subtract, multiply, and divide to complex functions such as logarithms, polynomial evaluation, spline curve fitting, and digital filtering.

Output tasks include synchronization of data streams, formatting, packetizing, encoding error detection, and safety features like redundancy or inversion.

The SSC shown in figure 1 provides for up to 20 measurement tasks and 62 conditioning tasks, enabling thousands

of different combinations of signal processing sequences for each of the four inputs. The number of output tasks varies greatly depending on the type of output, but for a complex protocol like SENT, the number can be in the dozens.

MAKING IT EASY However, it is also vitally important that the flexibility, power, and complexity of next-generation SSCs do not require a commensurate level of time and resources for system designers implementing them. The example shown in figure 1 is a member of a product family that is preconfigured by the manufacturer for a specific application using firmware.

All of the measurement, conditioning, and output tasks are programmed so that the designer need only focus on determining gain, resolution, and calibration coefficients for the correction algorithm, all of which are facilitated by software that is easy to use and

consistent across the product line. Special use cases can be implemented easily in firmware by the manufacturer should the need arise, but the standard factory configuration will cover the majority of designs. Additional family members of the product line are optimized for different numbers and types of inputs and outputs and also preconfigured for the intended application use.

Finally, one thing that should not be flexible in next-generation SSCs is the user interface, including the physical dimensions, pin or pad locations, and software user interface. The product family exemplified in figure 1 has a standardized footprint, pinout, and software user interface to minimize the costs, time, and resources associated with board layout, calibration, and climbing the learning curve.

â&#x20AC;&#x153;One thing that should not be flexible in next-generation SSCs is the user interface.â&#x20AC;?

A Tutorial for the Digital SENT Interface

by Tim White September 2014 in Electronic Products (online)

A Tutorial for the Digital SENT Interface

By Tim White, ZMDI System Architect

SENT (Single Edge Nibble Transmission) is a unique serial interface originally targeted for automotive applications. First adopters are using this interface with sensors used for applications such as throttle position, pressure, mass airflow, and high temperature. The SENT protocol is defined to be output only. For typical safety-critical applications, the sensor data must be output at a constant rate with no bidirectional communications that could cause an interruption. For sensor calibration, a secondary interface is required to communicate with the device.

In normal operation, the part is powered up and the transceiver starts transmitting the SENT data. This is very similar to the use model for an analog output with one important difference: SENT is not limited to one data parameter per transmission and can easily report multiple pieces of additional information, such as temperature, production codes, diagnostics, or other secondary data.

Figure 1 Example of SENT Interface for High Temperature Sensing

SENT Protocol Basic Concepts and Fast Channel Data Transmission The primary data are normally transmitted in what is typically called the “fast channel” with the option to simultaneously send secondary data in the “slow channel.” An example of fast channel transmission is shown in Figure 2. This example shows two 12-bit data words transmitted in each message frame. Many other options are also possible, such as 16 bits for signal 1 and 8 bits for signal 2.

Synchronization/ Calibration Pulse

56 ticks

Status/ Comm

Signal 1 12 Bits

Signal 2 12 Bits

12 ticks

27 ticks

17 ticks

22 ticks

Status/ Comm

Data 1 MSN

Data 2 MidN

Data 3 LSN

4 Bits Value = 0

4 Bits Value = 15

4 Bits Value = 5

4 Bits Value = 10

14 ticks

Data 1 MSN

4 Bits Value = 2

20 ticks

Data 2 MidN

4 Bits Value = 8

CRC/ Checksum

12 ticks

Data 3 LSN

4 Bits Value = 0

Optional Pause Pulse

21 ticks

CRC/ Checksum 4 Bits Value = 9

Figure 2 Typical Fast Channel Message

The basic unit of time for SENT is a tick, and the minimum data unit is a nibble, which communicates 4 bits of data encoded in the combined pulse timing of an initial fixed-width low period followed by a variable-width high period. A synchronization/calibration pulse always starts a message frame and provides a method for measuring the tick time of the SENT output. The message frame usually ends with a CRC/checksum nibble and optional pause pulse.

Tick: unit of time for SENT transmissions. 3µS < clock tick < 90µS Nibble: unit of 4 bits used to transmit data. Within a nibble, the initial logic 0 time is a fixed width of 5 ticks or more, which is followed by logic 1 with a variable duration.

The total nibble time encodes 4 bits of data in the measured number of tick units: © 2014 Zentrum Mikroelektronik Dresden AG

1

Data value = 0 (decimal) = minimum nibble width of 12 ticks = 0000 (binary) Data value = 1 (decimal) = nibble width of 13 ticks = 0001 (binary) …

Data value = 14 (decimal) = nibble width of 26 ticks = 1110 (binary) Data value = 15 (decimal) = maximum nibble width of 27 ticks = 1111 (binary) Synchronization/Calibration Pulse: initial sequence used by the receiver, for example an electronic control unit (ECU), to measure the tick timing of the sensor transmission. Divide its duration by 56 to determine the tick time.

Status/Communication Nibble: first nibble after synchronization/calibration pulse. This nibble communicates status and/or slow channel data bits depending on the SENT format.

CRC/Checksum: used for error checking.

Optional Pause Pulse: variable pause pulse, which can be used to maintain a uniform tick count.

There are two additional fast channel formats: 12-bit Single Secure Message and Fast Channel High Speed.

As shown in Figure 3a, a message in the 12-bit Single Secure Message Format transmits one 12-bit data message, an 8-bit incremental counter, and the inverse of the most significant data nibble.

Synchronization/

Calibration

Status

MSN Data 1

MidN Data 2

Inv Copy LSN MSN LSN MSN Data 3 Counter Counter Data

Pause (Optional)

CRC

Figure 3a Fast Channel Data in 12-Bit Single Secure Message Format

As shown in Figure 3b, the Fast Channel High Speed Format transmits 12 bits of data in four nibbles. The Fast Channel High Speed Format is unique in that for the four bits encoded in the nibble width, the most significant bit is always logic 0, so only the three least significant bits are the transmitted data.

Synchronization/

Calibration

Status

4 bits

Data1

Data2

Data3

3 bits

3 bits

3 bits

Data 4

3 bits

Pause (Optional)

CRC

4 bits

Figure 3b Fast Channel Data in 12-Bit Fast Channel High Speed Format

Slow Channel Data Transmission Basics The SENT protocol format that is probably most challenging to understand is slow channel messaging. The basic concept is that slow channel data are sent only two bits at a time, so for each fast channel message frame, the transmitter can also include two bits of slow channel data. These two bits are contained in bit 3 and bit 2 of the status nibble. This is referred to as a “slow” message because it takes many fast channel message frames to complete the transmission of a single value via the slow channel data conveyed in the status nibble of the fast channel data frames. For example, it takes 16 fast channel data frames to transmit only 8 bits of slow channel data. The real power of this feature is that it allows up to 32 slow channel messages per serial message cycle to be transmitted with minimal impact on the primary sensor data.

© 2014 Zentrum Mikroelektronik Dresden AG

2

It is in these slow channel messages that it is possible to continually monitor information such as temperature, diagnostics and production codes, which typically either do not change or change at a slower rate than the sensor data. Each slow channel message is assigned a message ID that is transmitted with the data. The list of message IDs is usually unique to a product and is often defined in the product data sheet or application note.

There are three formats used for sending slow message data: Short Serial Message Format for 8-bit messages and Enhanced Serial Message Format, which can be configured for either 12-bit or 16-bit messages. All three formats support a slow channel CRC checksum sent after the message ID and data.

Slow Channel Data Transmission using the Short Serial Message Format The Short Serial Message Format for transmitting 8 bits of slow channel data is illustrated in Figure 4. For this format, bit 3 in the status nibble of the fast channel frame starts at logic 1 and then stays at logic 0 for the next 15 frames. This fixed code of logic 1 followed by 15 logic 0â&#x20AC;&#x2122;s helps determine where each slow channel message starts and ends. The message ID, 8-bit slow channel data word, and 4-bit CRC are contained in status bit 2 transmitted one bit at a time via multiple fast channel frames. It requires 16 fast channel message frames to send one Short Serial Message.

SENT Message Frame 1 with 2 Slow Channel Data Bits in Status/Comm Nibble Status/

Synch

Comm

Signal 1 (12 Bits)

CRC/

SENT Message Frame 2 with 2 Slow Channel Data Bits in Status/Comm Nibble

Optional

Signal 2 (12 Bits) Checksum Pause Pulse

Status/

Synch

CRC/

Signal 1 (12 Bits)

Comm

Optional

Signal 2 (12 Bits) Checksum Pause Pulse

Status/ Communication Nibble 4 Bits Encoded in Tick Count B3

B2

S1

S0

Serial Communication Nibble Received Order

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16

Serial Data (Status Bit 3) 1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Serial Data (Status Bit 2) Message ID ID3 ID2 ID1 ID0

(MSB)

(LSB)

4-Bit Message ID

D7

(MSB)

0

0

0

8-Bit Data via Comm Nibble

D6

D5

D4

D3

D2

D1

0

0

Message Frame Numbers

0

CRC

D0

(LSB)

8-Bit Data

CRC3 CRC2 CRC1 CRC0 (MSB) (LSB)

4-Bit CRC

Figure 4 Slow Channel Message Using Short Serial Channel â&#x20AC;&#x201C; 8 Bit Format

Slow Channel Data Transmission using the Enhanced Serial Message Format The Enhanced Serial Message Format transmits slow channel data in either 12 or 16 bit format. A configuration bit is used to indicate 12 or 16 bit format. The 12-bit format allocates more bits for the message ID. Figure 5 shows the Enhanced Serial Message Format.

Sending a slow message using Enhanced Serial Messaging Format (either one 12-bit data word or one 16bit data word) requires 18 fast channel message frames. Similar to the Slow Channel Message, the Enhanced Serial Messaging data are sent 2 bits at a time and comprise bit 3 and bit 2 of the status nibble.

SENT Message Frame 1 with 2 Slow Channel Data Bits in Status/Comm Nibble Status/

Synch

Comm

Signal 1 (12 Bits)

Signal 2 (12

SENT Message Frame 2 with 2 Slow Channel Data Bits in Status/Comm Nibble

CRC/ Optional Bits) Checksum Pause Pulse

Status/

Synch

Signal 1 (12 Bits)

Comm

CRC/

Optional

Signal 2 (12 Bits) Checksum Pause Pulse

Status/ Communication Nibble 4 Bits Encoded in Tick Count B3

B2

S1

S0

Serial Communication Nibble Received Order

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Serial Data (Status Bit 3) 1

1

1

1

1

1

0

C

Depends on Format

Serial Data (Status Bit 2)

6-Bit CRC

CRC5 CRC4 CRC3 CRC2 CRC1 CRC0 (MSB) (LSB)

6-Bit CRC

10 11 12 13 14 15 16 17 18 0

Depends on Format

Message Frame Numbers

0

12- Bit Data via Comm Nibble

D11 (MSB)

D10 D9

D8

D7 D 6

D5

D4

D3

D2

D1

D0 (LSB)

12-Bit Data

Figure 5 Enhanced Serial Message Format â&#x20AC;&#x201C; 12 or 16 Bit Implementation of the SENT Protocol The challenge with SENT is determining which format is best suited to the application. However, once the format and data set have been selected, it is usually fixed in the design or configured with nonvolatile memory so that the data are continually transmitted on power up. Another key feature of SENT is overdamped rise and fall transitions. This reduces emissions but does set some limitations on the speed.

This article gives a brief overview of the SENT protocol. For a more complete tutorial contact ZMDI at www.zmdi.com.

Š 2014 Zentrum Mikroelektronik Dresden AG

4

Sensor Signal Conditioners September 2014 in Tech Briefs

ZSSC416x product interview

Nikkan Kogyo Shimbun (Daily Industry Newspaper) September 26th, 2014

Hochpr채zise ICs zur Signalkonditionierung Elektronik Industrie October 2014

ZMDI and Sofics collaborate on multiple automotive electronics products dsp valley newsletter 5 October/November 2014

ZMDI - Featured on „World‘s Greatest“ TV Program ION Network

January 2nd, 2015 http://video.techbriefs.com

ZMDI is an international semiconductor company specializing in sensing, power management, battery management, ASIC, and industrial ASSPs. This feature video was presented on the ION Network to highlight the contributions of ZMDI to the environment through designing solutions that enable its customers to create energy-efficient products.

Click to see!

ZMDI präsentierte sich auf der CES 2015 in Las Vegas – Messethema 5G steht in Dresden im Fokus January 16th, 2015 www.silicon-saxony.de

Die CES - International Consumer Electronics Show – lockte in diesem Jahr circa 160.000 Besucher nach Las Vegas/USA. Rund 3.600 Aussteller präsentierten hier die neuesten Produkte aus der Unterhaltungselektronik und verwiesen auf die Trends der Zukunft. So auch auf das in Dresden immer wichtiger werdende Thema 5G. Das Dresdner Unternehmen ZMDI war vom 5. bis 8. Januar 2015 vor Ort, stellte hier seine neuesten Sensoren aus dem Bereich „Environmental Sensing“ vor.

Die diesjährige CES 2015 in Las Vegas Nevada lockte rund 160.000 Besucher an, stellte die neuesten Entwicklungen aus den Bereichen Konsumgüter und Technologien vor. Neben den jüngsten Generationen von Fernsehern, Smart Anwendungen, Wearables, 3D-Druckern und Roboterlösungen, standen die für Dresden relevanten Themen „Sensoren“ sowie „5G“ im Messefokus.

ZMDI stellte in Las Vegas neueste Sensoren vor „2015 ist das Jahr der Sensoren“, stellt Daniel Aitken, ZMDI Global Director of Corporate Marketing and Communications, fest. „In fast allen Produktkategorien ist diese Entwicklung erkennbar. Die Sensor Technologie ermöglicht beispielsweise Fernsehern ihre Bildqualität auf Grund von Lichtverhältnissen zu verbessern und Autos ohne Fahrer zu navigieren. Diese Entwicklung wird als „Internet of Things“ (IoT) bezeichnet und soll laut Marktanalysten in den kommenden Jahren eine Billion neue Sensoren notwendig machen.“ ZMDI stellte seine aktuellsten Entwicklungen aus dem Bereich „Environmental Sensing“ für Mobile-Anwendung in Las Vegas aus. „Nahezu jede bedeutende Firma in der Unterhaltungselektronik erschien an unserem Stand, um sich nach den aktuellsten Technologien zu erkundigen - immer auf der Suche nach neuen innovativen Sensoren, die das Leben der Nutzer verbessern“, so Aitken. Sensoren sind gefragt, klein genug um in einer Armbanduhr, Kleidung oder in Smartphones eingearbeitet zu werden. So stellen kleine MEMS-basierte Drucksensoren punktgenau die Höhenmeter eines Nutzers fest, Infrarot-Thermometer geben die akkurate Körpertemperatur an, UV-Sensoren informieren über die mögliche Länge eines Sonnenbades, Gas-Sensoren alarmieren bei gefährlichen Gaskonzentrationen, überwachen kontinuierlich die Luftqualität in Räumen.

Intelligente Sensoren umgeben uns allgegenwärtig, sind Herzstück zahlreicher Produkte. Mikrochip-Hersteller ZMDI, mit seinen starken sächsischen Wurzeln, macht auch in Zukunft Smartphones intelligenter, Autos sicherer und Sensoren effektiver.

CES-Messethema 5G steht auch in Dresden im Fokus Im 5G Lab Germany, z.Zt. noch an der TU Dresden konzentriert, erforschen 19 TU-Professoren aus der Elektrotechnik und Informatik die Schlüsseltechnologien für die fünfte Generation des Mobilfunks (5G). Zusammen mit Prof. Frank Fitzek leitet Prof. Gerhard Fettweis das 5G Lab Germany. „Ein Schlüsselfaktor der drahtlosen Kommunikation ist die Echtzeitfähigkeit, die viele Bereiche der Gesellschaft tiefgreifend verändert wird“, erklärt Prof. Gerhard Fettweis, auch Koordinator des Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed), des Exzellenzclusters für Elektronik der TU Dresden.

„Mobile Datenkommunikation ist allgegenwärtig. Heute verbindet das Mobile Internet Menschen überall miteinander und ermöglicht uns jederzeit den Austausch von Sprache, Daten und multimedialen Inhalten. Bisherige Innovationen ermöglichten durch ständig steigende Datenraten den PC in der Hand, das Smartphone. Zurzeit erleben wir, wie das Internet der Dinge alle Geräte vernetzt und uns dadurch den Alltag erleichtert“, erklärt Prof. Fettweis. „Als nächsten Innovationssprung sehen wir das Taktile Internet kommen. Durch minimale Reaktionszeiten, höchste Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit wird das Taktile Internet die gesamte Wirtschaft und die Gesellschaft mit einem Innovationsschub beeinflussen. Es bietet viele neue Möglichkeiten für Technologieanbieter, Diensteanbieter und den Menschen. Das Zukunftspotenzial des Taktilen Internets hat vielversprechende Anwendungsfelder in Industrie und Gesellschaft, beispielsweise in der Industrieautomatisierung, der Gesundheit und der Bildung. Zur Vision des „Taktilen Internets“ gehören zum Beispiel vollautomatisiertes Fahren im Straßenverkehr, robotergestützte Tele-Chirurgie sowie neuartige Lern- und Trainingsmethoden, die sich durch haptisch-taktiles Feedback auszeichnen und zu neuen Lernerfolgen führen sollen.“ Vom 6. bis 9. Januar 2016 präsentiert die CES in Las Vegas erneut die jüngsten Entwicklungen und innovativen Produkte, nicht nur aus der Unterhaltungsbranche.

Weiterführende Links: www.zmdi.com mns.ifn.et.tu-dresden.de www.5glab.de www.cfaed.tu-dresden.de www.cesweb.org

Zuverlässige Einweg-Kommunikation 04/2015 elektronik journal

Sensor- und Messdaten Datenbus

Zuverlässige Einweg-Kommunikation Grundlagen und Anwendung der SENT-Schnittstelle für Sensordaten Erste Anwender setzen die SENT-Schnittstelle (Single Edge Nibble Transmission) mit Sensoren für sicherheitsrelevante Anwendungen im Automobilsektor ein. Doch diese moderne Schnittstelle eignet sich auch für andere Einsatzbereiche: ZMDI erklärt das unidirektionale Sensor-Ausgabeprotokoll mit seinen Vorteilen Autor: Tim White und Grenzen und zeigt, wie man es sinnvoll implementiert.

S

chungen führen. Sensorhersteller brauchen zum Kalibrieren daher eine zweite, bidirektionale Schnittstelle für die Kommunikation mit dem Gerät (Bild 1).

Im späteren Einsatz genügt dann aber eine DreiDraht-Anbindung.

Im Normalbetrieb beginnt das Sensormodul nach Power-ON selbständig mit der Übertragung der SENT-Daten. Dies entspricht weitgehend dem Betriebsmodell für Sensormodule mit Analogausgang.

Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied: SENT ist nicht auf einen Datenparameter pro Übertragung beschränkt und kann problemlos weitere Mess- und Sensorwerte wie Temperatur, Produktionscodes, Diagnosedaten sowie andere Sekundärdaten ausgeben.

Bild fotolia. TSUNG-LIN WU

ENT (Single Edge Nibble Transmission, SAE J2716) ist eine relativ neue serielle Schnittstelle, die ursprünglich für den Einsatz in Automobilen entwickelt wurde, sich aber auch für andere Branchen eignet. Erste Anwender nutzen die im Jahr 2007 standardisierte Schnittstelle inzwischen in Sensoren für Drosselklappengeber, zum Messen von Druck und Luftmenge sowie zur Temperaturüberwachung.

Das SENT-Protokoll ist als unidirektionales Ausgabeprotokoll definiert. Typischerweise müssen Sensoren ihre Daten in sicherheitsrelevanten Einsatzbereichen mit konstanter Datenrate ausgeben. Eine bidirektionale Kommunikation mit Bestätigungspaketen und Paketwiederholungen könnte hier zu Unterbre-

52

elektronik journal 04/2015

www.elektronik-journal.de

Sensor- und Messdaten Datenbus

Synchronization/ Calibration Pulse

56 ticks

Status/ Comm

Signal 1 12 Bits

12 ticks

27 ticks

17 ticks

22 ticks

Status/ Comm

Data 1 MSN

Data 2 MidN

Data 3 LSN

4 Bits Value = 0

4 Bits Value = 15

Die Konzepte Der Sender überträgt die Primärdaten üblicherweise über die beiden sogenannten „Fast Data Channels“ (FDC1/2). Optional kann er Sekundärdaten per „Slow Data Messaging“ (SDM) absetzen. Ein Beispiel für die Übertragung über FDC1/2 (Bild 2) zeigt, dass jeder Datenframe zwei 12-Bit-Datenwörter enthält. Optional sind auch andere Aufteilungen möglich, zum Beispiel 16 Bit für Signal 1 und 8 Bit für Signal 2.

Die grundlegende Zeiteinheit für SENT ist ein Tick und die minimale Dateneinheit ein Nibble (Halbbyte, also 8 Bit). Der kombinierte Taktimpuls besteht aus der Low-Periode mit anfänglich fester Breite gefolgt von der High-Periode variabler Breite und überträgt je ein Nibble. Ein Datenframe beginnt immer mit einem Synchronisierungs-/Kalibrierungsimpuls.

Eck-DatEn • Das SENT-Protokoll eignet sich als Ersatz für die analoge Messwertübertragung oder den langsamen LIN-Bus • Unidirektional und störsicher, drei Drähte (Versorgung, Signal, Masse) • Kann mehrere Datenströme multiplexen • Herausforderung: Das richtige Format auswählen www.elektronik-journal.de

4 Bits Value = 5

Signal 2 12 Bits

Bilder: ZMDI

4 Bits Value = 10

14 ticks

Data 1 MSN

4 Bits Value = 2

20 ticks

Data 2 MidN

4 Bits Value = 8

CRC/ Checksum

Optional Pause Pulse

21 ticks

12 ticks

Data 3 LSN

4 Bits Value = 0

CRC/ Checksum 4 Bits Value = 9

Empfänger können diesen Impuls nutzen, um die Tickzeit der SENT-Ausgabe zu messen. Der Datenframe endet üblicherweise mit einem CRC-/Prüfsummen-Nibble (Cyclic Redundancy Check) und einem optionalen Pauseimpuls.

Ticks und Nibbles im Protokoll Ein Tick, also die Zeiteinheit für SENT-Übertragungen, dauert zwischen 3 und 90 µs. Für die Übertragung von Daten fasst SENT immer 4 Bit zu einem Nibble zusammen. In dieser Dateneinheit besitzt die anfängliche logische 0 eine feste Dauer von mindestens 5 Ticks. Es folgt eine logische 1 mit variabler Dauer. Über die Nibble-Gesamtdauer von 12 bis 27 Ticks codiert der Sender vier Datenbits: • Dezimalwert 0: minimale Nibble-Breite von 12 Ticks = 0000 (binär) • Dezimalwert 1: Nibble-Breite von 13 Ticks = 0001 (binär) • Dezimalwert 2: Nibble-Breite von 14 Ticks = 0010 (binär) • ...

• Dezimalwert 14: Nibble-Breite von 26 Ticks = 1110 (binär) • Dezimalwert 15: maximale Nibble-Breite von 27 Ticks = 1111 (binär)

Bild 1 (ganz oben): Die SENT-Schnittstelle kann neben dem eigentlichen Messwert weitere Daten über die Verbindung senden, zum Beispiel Hinweise auf Übertemperaturen.

Bild 2: Ein Beispiel für eine typische Nachricht im Fast Data Channel (FDC); viele andere Aufteilungen sind möglich.

elektronik journal 04/2015

53

Sensor- und Messdaten Datenbus

Synchronization/

Calibration

Synchronization/

Calibration

MSN Data 1

Status

MidN Data 2

Inv Copy LSN MSN LSN MSN Data 3 Counter Counter Data

CRC

Pause (Optional)

CRC

Pause (Optional)

Status

Data1

Data2

Data3

4 bits

3 bits

3 bits

3 bits

SENT Message Frame 1 with 2 Slow Channel Data Bits in Status/Comm Nibble Status/

Synch

Comm

Signal 1 (12 Bits)

Signal 2 (12

Data 4

3 bits

4 bits

SENT Message Frame 2 with 2 Slow Channel Data Bits in Status/Comm Nibble

CRC/ Optional Bits) Checksum Pause Pulse

Status/

Synch

CRC/

Signal 1 (12 Bits)

Comm

Optional

Signal 2 (12 Bits) Checksum Pause Pulse

Status/ Communication Nibble 4 Bits Encoded in Tick Count B3

B2

S1

S0

Serial Communication Nibble Received Order

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16

Serial Data (Status Bit 3) 1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Serial Data (Status Bit 2) Message ID

Bild 3: Die 12 Datenbits des FDC (Fast Data Channel) können in zwei Formaten gesendet werden: „12 Bit Single Secure Message“ (oben) und „Fast Channel High Speed“ (unten).

Bild 4: Die erste Möglichkeit, SDMs (Slow Data Messages) zu nutzen, ist das „Short Serial Channel“-Format mit 8 Bit.

ID3 ID2 ID1 ID0

(MSB)

(LSB)

D7

(MSB)

D6

4-Bit Message ID

Der Empfänger nutzt den anfänglichen Synchronisierungs-/Kalibrierungsimpuls, um zu messen wie lange ein Tick bei der Sensorübertragung tatsächlich dauert. Dazu teilt er die Dauer des Impulses durch den Wert 56.

Erstes Nibble nach dem Synchronisierungs-/Kalibrierungsimpuls ist ein Status-/KommunikationsNibble. Es kommuniziert in Abhängigkeit vom SENTFormat den Status und/oder die Datenbits des langsamen Kanals. Auf den Inhalt der Nachricht folgt das Feld CRC/Prüfsumme; es dient der Fehlererkennung.

An das Ende der Nachricht kann der Sender optional noch einen Pausenimpuls setzen. Dieser Impuls mit variabler Länge kann für eine gleichbleibende TickZahl pro Nachricht sorgen.

Weitere Formate Neben dem beschrieben FDC-Format gibt es noch zwei weitere Varianten des Fast Data Channel: „12 Bit Single Secure Message“ und „Fast Channel High Speed“. Wie das obere Diagramm in Bild 3 zeigt, besteht eine im Format „12 Bit Single Secure Message“

54 elektronik journal 04/2015

0

0

0

8-Bit Data via Comm Nibble

D5

D4

D3

D2

D1

0

0

Message Frame Numbers

0

CRC

D0

(LSB)

8-Bit Data

CRC3 CRC2 CRC1 CRC0 (MSB) (LSB)

4-Bit CRC

übertragene Nachricht aus 12 Datenbits, einem 8-BitAufwärtszähler und dem Kehrwert des höchstwertigen Daten-Nibbles.

Im unteren Teil von Bild 3 überträgt das Format „Fast Channel High Speed“ 12 Datenbits in vier Nibbles. Die Besonderheit dieses Formats besteht darin, dass das höchstwertige Bit in jedem der vier Nibbles immer eine logische 0 ist und nur die drei niederwertigen Bits in jedem der vier Daten-Nibbles die übertragenen Daten enthalten.

Slow Data Messages Komplexer gestaltet sich das SENT-Protokoll für die Datenübertragung mittels SDMs (Slow Data Messages). Grundsätzlich werden per SDM immer nur mit jeweils zwei Bit übertragen, der SENT-Transmitter kann also in jeden Datenframe nur zwei SDM-Datenbits einfügen. Diese beiden Bits sind Bit 3 und Bit 2 des Status-Nibbles der beiden FDCs. Die Bezeichnung „Slow Data Message“ kommt daher, dass es viele FDC-Datenframes braucht, um einen Wert vollständig per SDM zu übertragen. So sind beispielsweise 16 www.elektronik-journal.de

Sensor- und Messdaten Datenbus

SENT Message Frame 1 with 2 Slow Channel Data Bits in Status/Comm Nibble Status/

Synch

Comm

Signal 1 (12 Bits)

CRC/

SENT Message Frame 2 with 2 Slow Channel Data Bits in Status/Comm Nibble

Optional

Signal 2 (12 Bits) Checksum Pause Pulse

Status/

Synch

Signal 1 (12 Bits)

Comm

CRC/

Optional

Signal 2 (12 Bits) Checksum Pause Pulse

Status/ Communication Nibble 4 Bits Encoded in Tick Count B3

B2

S1

S0

Serial Communication Nibble Received Order

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Serial Data (Status Bit 3) 1

1

1

1

1

1

0

C

Depends on Format

Serial Data (Status Bit 2)

6-Bit CRC

CRC5 CRC4 CRC3 CRC2 CRC1 CRC0 (MSB) (LSB)

0

Depends on Format

0

12- Bit Data via Comm Nibble

D11 (MSB)

D10 D9

D8

D7 D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0 (LSB)

12-Bit Data

6-Bit CRC

FDC-Datenframes nötig, um acht SDM-Datenbits zu übertragen. Die eigentliche Leistungsfähigkeit dieser Funktion besteht darin, dass in jeden seriellen Nachrichtenzyklus bis zu 32 verschiedene Daten passen – ohne Auswirkungen auf die primären Sensordaten, welcher über die beiden FDCs gesendet werden.

10 11 12 13 14 15 16 17 18

Message Frame Numbers

16-Bit-Format. Ein Konfigurationsbit legt fest, ob es sich um das 12- oder das 16-Bit-Format handelt. Im 12-Bit-Format sind der SDM-ID mehr Bits zugewiesen.

Bild 5 zeigt die 12-Bit-Variante des Enhanced-SerialMessage-Formats.

Bild 5: Die zweite SMD-Variante (Slow Data Messages) ist das „Enhanced Serial Message“-Format mit 12 oder 16 Bit. Das Bild zeigt die 12-BitVariante.

Implementierungshinweise Mehrere Signale auf der Leitung Mit diesen SDMs lassen sich beispielsweise Temperaturmesswerte, Diagnosedaten und Produktionscodes kontinuierlich überwachen, also Daten, die sich üblicherweise nicht oder mit deutlich langsamerer Rate als die primären Sensordaten ändern. Jede der maximal 32 SDMs erhält eine ID, die mit den Daten übertragen wird. Die Liste der Nachrichten-IDs ist normalerweise pro Produkt eindeutig und häufig im Produktdatenblatt oder in Applikationsschriften definiert.

Für SDMs sind drei Formate verfügbar: „Short Serial Message“ für 8-Bit-Nachrichten und „Enhanced Serial Message“, das für 12- oder 16-Bit-Nachrichten konfiguriert werden kann. Alle drei Formate unterstützen das Senden einer CRC-Prüfsumme für SDMs im Anschluss an die SDM-ID und die Daten.

Normales und erweitertes SDM-Format Das Short-Serial-Message-Format überträgt 8 Datenbits per SDM (Bild 4): Bit 3 im Status-Nibble des FDCDatenframes beginnt mit der logischen 1 und ist dann in den folgenden 15 Frames eine logische 0. Diese Festlegung auf die logische 1, gefolgt von 15 Frames mit logischer 0 ermöglicht die Bestimmung von Anfang und Ende jeder SDM-Nachricht. Die SDMID, ein aus 8 Bit bestehendes Datenwort, und die 4-BitCRC in Statusbit 2 werden also mit jeweils einem Bit in mehreren FDC-Datenframes übertragen. Zum Senden einer SDM im „Short Serial Message“-Format sind 16 FDC-Datenframes nötig.

Das Enhanced-Serial-Message-Format (Bild 5) dagegen überträgt die SDM-Daten in einem 12- oder www.elektronik-journal.de

Die Herausforderung bei SENT besteht darin, das für die Applikation am besten geeignete Format zu ermitteln. Sobald Format und Datenmenge feststehen, legt sie der Entwickler in seinem Design fest oder konfiguriert sie im nichtflüchtigen Speicher, sodass der Sensor die Daten nach dem Einschalten kontinuierlich überträgt. Eine weitere Schlüsselfunktion von SENT sind die aktiv geregelten und damit definierten Anstiegs- und Abfallzeiten. Sie reduzieren die EMV-Emissionen, ohne die Geschwindigkeit zu beschränken.

Am Markt sind längst verschiedene Werkzeuge zum Decodieren des SENT-Protokolls erhältlich, darunter Oszilloskope, Software sowie Mikroprozessoren mit integrierter SENT-Decodierungshardware. Die Schnittstelle wurde erstmals 2007 definiert und die SENT-Version 3.0 aus dem Jahr 2010 wird inzwischen verstärkt nachgefragt. In Abhängigkeit vom Einsatzbereich ist SENT eine echte technische und kommerzielle Alternative zur konventionellen analogen Messwertübertrag ung, insbesondere wegen der vielen zusätzlichen Datenübertragungsfunktionen. (lei) n

autor Tim White Systemarchitekt bei ZMDI in Dresden.

infoDIREKt

715ejl0415 elektronik journal 04/2015

55

AuflĂśsung bis 0,02 Grade pro Step FĂźr Positionssensoren June, 2015 Automobil Elektronik

[Sensors Expo 2015] ZMDI stretches out to mobile and multi-market sensing products June 10th, 2015 www.displayplus.net click here

USA - ZMDI (www.zmdi.com) enters its next growth phase. According to the company, the major orders won in 2014 from the automotive sector are being executed according to plan, as are the first orders from ZMDI’s Mobile Sensing business line.

The management board therefore confirmed that the market launches associated with these major orders will see ZMDI‘s growth course accelerate significantly as of 2016. As a global supplier of analog and mixed-signal solutions for automotive, industrial, medical, information technology and consumer applications, ZMDI is currently presenting its leading-edge sensor technologies at the international Sensors Expo & Conference at the Long Beach Convention Center in Long Beach, California.

Products presented at the Sensors Expo & Conference include the ZSSC3154, ZSSC5101 among many others.In 2014, ZMDI won major orders with a volume totaling in the three-digit millions. The focus of these major orders is primarily on high-performance circuits for automotive sensors and for industrial applications.

This year, ZMDI also acquired large-volume orders for components for consumer products such as smartphones, tablets and other wearable applications, as well as for digital power management. Adjusting for discontinued operations, ZMDI‘s core business grew by an average of 15 percent over the last five years.

Against this background of strong order placement, ZMDI is also mapping out new ways to finance growth in order to maintain and expand its current growth phase. The options under consideration range from issuing a bond, raising the company capital, or a listing on the stock exchange.

Thilo von Selchow, President and CEO of ZMDI, stated „Our growth strategy is gathering more and more speed. Regarding the execution of the major orders that we acquired in 2014, we are exactly in line with our plans. The resulting market launches will boost our speed of growth as of 2016. ZMDI has also further developed its strategy. We are now working at tier one together with the market leaders in the respective segments. And we have established a special market status in the Mobile Sensing business. The ‚Internet of Things‘ is going to be our next big growth horizon.“ Steve Ramdin, Product Line Manager ZMDI Sensing, added: „ZMDI has led the way through the development of sensing solutions for automotive, medical and mobile products. This year, we will be featuring a wide array of product demonstrations within our mobile and multi-market sensing portfolio.

Our exciting new products will offer our customers enhanced performance and value, including our new magnetoresistive bridge sensor interface family.“ Sensors Expo attendees are invited to visit ZMDI’s demonstration booth in collaboration with its distribution partner, Servoflo (http://www.servoflo.com). ZMDI’s booth is #322 in the main hall. To arrange a meeting with ZMDI’s signal conditioning experts at Sensors Expo 2015, click here http://bit.ly/1IKzy1Y.

Sensors Expo 2015: Quick hits – LeddarTech optical time of flight and ZMDI sensor signal conditioning round out 30th Sensors Expo

June 23rd, 2015 Click here for more information embedded-computing.com

Brandon Lewis, Assistant Managing Editor I was running behind and had to catch a flight at LAX (which I ended up missing anyway thanks to a subpar Uber driver), so my stop bys at the LeddarTech and ZMDI booths were brief. However, in the short amount of time, I was able to tweet about LeddarTech’s cool optical time-of-flight technology chip technology (LeddarTech is also currently offering a discounted sensor evaluation kit), as well as ZMDI’s sensor signal conditioning chip, which includes both resistive and differential bridge interfaces in addition to two external temp interfaces.

[Figure 1 | The ZMDI ZSSC3154 sensor signal conditioning (SSC) IC used in this demo includes a resistive bridge interface, a differential bridge interface, and two external temperature interfaces that reduce calibration testing headaches for developers.]

ZMDI expandiert mit Mobile Sensing

July 3rd, 2015 Markt&Technik (issue 27/2015)

Exklusiv|Interview der Woche »Wenn wir zukaufen können, liegt unser Umsatzziel 2020 bei über 200 Millionen Euro«

ZMDI expandiert mit Mobile Sensing Großaufträge aus den Bereichen Automobilsensorik und Mobile Sensing für Consumer-Produkte bescheren ZMDI ein dynamisches Wachstum, das CEO Thilo von Selchow in den nächsten Jahren auf 15 bis 20% veranschlagt. Eine mögliche Option der weiteren Wachstumsfinanzierung wäre für ihn ein Börsengang, um dann auch durch Akquisitionen zu wachsen.

Markt&Technik: Herr von Selchow, das jüngste Geschäftsfeld der ZMDI ist Mobile Sensing. Sie haben sich erst 2012 zum Einstieg in das Segment entschlossen. Wie entwickelt sich das Geschäft?

Thilo von Selchow: Sehr erfreulich. Mobile Sensing wird einen entscheidenden Beitrag zu unserer nächsten Wachstumsphase liefern.

Die ersten Großaufträge konnten wir im letzten Jahr gewinnen. Nach rund 30 Mio. Stück im Vorjahr rechnen wir für dieses Jahr mit etwa 100 Mio. verkauften Mobile-SensingLösungen, die etwa in Smart Phones von LG und Sony, aber auch in Tablets und Smart Watches zum Einsatz kommen.

USIV E X K LRVIEW E T N I

Mobile Sensing ist ein Wachstumsbereich von ZMDI. In welche Richtung wollen Sie ihr Engagement hier ausbauen?

Bei den Wearable Electronics ist ein klarer Trend in Richtung Gesundheitsanwendungen zu erkennen. In dieser Richtung werden wir in Zukunft verstärkt aktiv werden. Unser erstes Produkt in dieser Richtung werden UV-Sensoren sein. Ab Anfang nächsten Jahres werden wir dazu Sensoren anbieten, die UV-A- und UV-B-Strahlung wahrnehmen.

ZMDI ist seit März letzten Jahres Mitglied der MEMS Industry Group. Werden Sie auch in das MEMS-Geschäft einsteigen?

Wir sind dabei, solche Lösungen ausschließlich für Consumer-Anwendungen zu entwickeln. Bei den ersten Produkten handelt es sich um optische-Sensorlösungen. Als nächstes planen wir, Gassensoren in MEMS-Technologie vorzustellen. Neben dem Einsatz im Consumer-Bereich wollen wir künftig auch MEMS-Lösungen für den Einsatz im Bereich Industrie und Medizin entwickeln.

Automotive dürfte nach wie vor der wichtigste Zielmarkt für ZMDI sein. Welchen Umsatzbeitrag leisten Sensing und Power-Management inzwischen?

Unser Umsatz lag im letzten Jahr bei 61,1 Mio. Euro. 2015 wollen wir den Umsatz auf rund

„

Thilo von Selchow, ZMDI

Die Großaufträge des letzten Jahres haben den Grundstein für nachhaltiges Wachstum in den nächsten Jahren gelegt, das sich ab 2016 durch Consumersensoren noch einmal zusätzlich beschleunigen wird.

“

14

www.elektroniknet.de

Nr. 27/2015

Dieses Dokument ist lizenziert für Norbert Essing Kommunikation GmbH, ua04901G. Alle Rechte vorbehalten. © Markt & Technik. Download vom 03.07.2015 11:48 von www.genios.de.

68 Mio. steigern. Etwa 50% davon stammen aus dem Automotive-Geschäft. Sensing steuert etwa 35% bei und Power-Management inklusive Lizenzgeschäft hat einen Umsatzanteil von 15%. Bemerkenswert in diesem Zusammenhang ist die Tatsache, dass das junge Tätigkeitsfeld des Mobile Sensing – als Teil von Sensing – bereits rund 20% zum Umsatz beiträgt. Das zeigt, wie dynamisch wir uns weiterentwickelt haben.

Die Zahl der in den letzten Jahren von ZMDI neu vorgestellten Produkte lässt vermuten, dass ein hoher Anteil des Umsatzes auf sehr junge Produkte entfällt?

Unsere Innovationsrate in den letzten Jahren lag immer bei 30%. Den Beitrag neuer Produkte zum Umsatz würde ich bei einem Drittel einordnen. In einigen Bereichen haben wir uns so eine Sonderstellung im Markt erarbeitet. Die hohe Entwicklungsdynamik spiegelt sich auch im personellen Wachstum wider: Wir beschäftigen inzwischen mehr als 400 Mitarbeiter weltweit, 314 davon sind Ingenieure. Mit der steigenden Zahl neuer Produkte und Anwendungsbereiche, haben wir in den letzten zwei Jahren vor allem auch den Bereich Applikation Support personell verstärkt.

Neben Mobile Sensing entwickelt sich auch das Produkt-Segment Digital Power Management sehr gut für ZMDI. Wir haben hier allein in den letzten zwei Jahren rund 80 Patente angemeldet. Diese Position erlaubt uns zum einen ein erfolgreiches Lizenzgeschäft, es ermöglicht uns aber auch erfolgreiche Kooperationen. Eines der besten Beispiele dafür ist ein digitaler Point-of-LoadRegler, für Ausgangsströme bis 25 A, den wir im letzten Jahr zusammen mit Murata Power Solutions auf den Markt gebracht haben. Der Reiz unserer Power-Management-Lösungen liegt darin, dass sie vom Kunden einfach zu programmieren und damit ideal an seine jeweilige Applikationslösung anpassbar sind.

Dabei reicht das Einsatzspektrum unserer Power-Management-Lösungen vom FPGA bis zur Basestation und in vielen Powermodulen.

Wenn Sie die Entwicklung der ZMDI in den letzten Jahren Revue passieren lassen, worin besteht der größte Unterschied zur Situation des Unternehmens, sagen wir vor fünf Jahren?

Wir haben uns ganz klar strategisch weiterentwickelt. Heute arbeiten wir auf TIER1-Ebene mit den Marktführern in den jeweiligen Anwendungssegmenten zusammen.

Zudem hat sich das »Internet der Dinge« für uns als der nächste Wachstumshorizont erwiesen. Die Großaufträge des Vorjahres – aus dem Bereich Automobilsensorik für Drehraten und Beschleunigungssensoren sowie Drucksensorik – reichen in ihren Umsatzeffekten nicht nur bis ins Jahr 2025, die daraus resultierenden Markteinführungen werden unser Wachstumstempo ab 2016 deutlich beschleunigen. Mit den Großaufträgen haben wir also einen wichtigen Schritt zur Absicherung unserer Zukunft absolviert.

Welches Umsatzvolumen halten Sie auf Basis dieser neu gewonnen Aufträge für ZMDI im Jahr 2020 für möglich?

Aus heutiger Sicht ist mit Blick auf unsere Wachstumsstrategie ein Umsatz von über 200 Mio. Euro im Jahr 2020 nicht unrealistisch.

Klar ist, dass wir dazu neben organischem Wachstum auch Akquisitionen ins Auge fassen müssen. Die erfolgreichen Weichenstellungen der letzten Jahre, erlauben es uns, den über lange Jahre konstanten Wachstumskanal von 5 bis 10% zu verlassen und in der nächsten Wachstumsphase Wachstumsraten von 10 bis 15, vielleicht auch 20% anzuvisieren.

Ihr Fokus liegt weiter auf organischem Wachstum, Sie halten sich aber auch alle Optionen von der Ausgabe einer Anleihe, über eine Kapitalmarkterhöhung bis hin zum Börsengang offen. Ist der eingeschlagene Wachstumspfad ohne solche Maßnahmen nicht durchzuhalten?

Trotz des starken Auftragseingangs können wir unser Wachstum aus dem Cash Flow finanzieren. Wir arbeiten daran, die interne Kapitalmarktfähigkeit herzustellen. Das eröffnet

neue Handlungsräume bei der Wachstumsfinanzierung und perspektivisch auch einen Börsengang, um in Zukunft bei Bedarf Technologie und neue Marktzugänge gezielt zukaufen zu können.

Würde ein Börsengang neben der Tatsache, dass er Geld in die Kassen spült, aber nicht auch die Gefahr beispielsweise einer unfreundlichen Übernahme erhöhen?

Wir sind uns im Klaren darüber, welche Herausforderungen ein Börsengang, wenn wir ihn denn in Betracht ziehen würden, mit sich bringt. Grundsätzlich sehen wir die Dinge sportlich. Wir erhalten ja schon heute regelmäßig Übernahmeangebote. Aber wir haben das immer abgelehnt. Warum sollten wir uns jetzt, wo die Entwicklung des Unternehmens so dynamisch voranschreitet, zurückziehen?

Glauben Sie mir, wir haben noch einen starken Gestaltungswillen. Lediglich einzelne Gesellschafter, wie der Freistaat Sachsen, der nach wie vor einen Anteil von 10% am Unternehmen hält, haben Verkaufsbereitschaft signalisiert.

Vor zwei Wochen wurde das Leistungszentrum »Funktionsintegration für die Mikro-/Nanoelektronik« in Dresden eröffnet. Ein weiterer Baustein zur Standortsicherung?

Absolut! Vier Fraunhofer-Institute haben sich mit den Technischen Universitäten in Dresden und Chemnitz zu diesem Leistungszentrum zusammengeschlossen, das wir als einer von 20 Industriepartnern unterstützen. Diese Form der Vernetzung erlaubt es uns, schnell und adäquat auf neue Herausforderungen und Chancen reagieren zu können. So wird sich das neue Leistungszentrum in den ersten zwei Jahren der Pilotphase vor allem auf das Thema »Internet of Things« konzentrieren. Dieses Thema stellt für uns den nächsten Wachstumshorizont dar.

Das Interview führte Engelbert Hopf

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ERFOLGREICHE ÜBERGABE Nach nun über 10 erfolgreichen Jahren als Geschäftsführer der Kundisch GmbH & Co. KG, einem Unternehmen der

A Phoenix Mecano Company

schweizerischen Phoenix Mecano AG, hat Herr Hans Hartmann zum 01.04.2015 die Verantwortung für das Unternehmen an seinen Nachfolger, Herrn Michael Brouwer übergeben.

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Hans Hartmann

Michael Brouwer

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